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Die Erfindung betrifft eine Druckminderungseinrichtung für eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung sowie eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung mit einer Druckminderungseinrichtung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug.
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Unter einem verdichteten Gas wird hier und im Folgenden ein gasförmiger Kraftstoff verstanden, der im Fahrzeug in einem Druckbehälter vorgehalten wird. Beispielsweise werden darunter Erdgas, das in verschiedenen Zusammensetzungen vorkommt, reines Methan und Wasserstoff verstanden.
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Aus der
DE 10 2007 036 958 A1 ist eine Kraftstoffzufuhreinrichtung für ein mit Erdgas betriebenes Fahrzeug bekannt. Bei dieser Einrichtung ist eine Druckminderungseinrichtung vorgesehen, um den Tankdruck von beispielsweise 200 bar auf den niedrigeren Systemdruck der Einblasvorrichtung zu reduzieren.
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Bei dieser Reduzierung des Druckes fällt an der Druckminderungseinrichtung Kälte an, die zu einer Vereisung der Druckminderungseinrichtung führen kann. Eine Vereisung kann sowohl auf der Außenseite der Druckminderungseinrichtung als auch in ihrem Innern auftreten.
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Aus der
DE 10 2008 034 581 A1 ist es bekannt, die Druckminderungseinrichtung zweistufig auszuführen und die an einem Proportionalventil der zweiten Stufe frei werdende Wärme für eine Erwärmung eines mechanischen Ventils der ersten Stufe zu nutzen, um eine Vereisung zu verhindern.
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Eine alternative Lösung, die bereits in auf dem Markt befindlichen Systemen verwirklicht ist, ist der Anschluss von Bauteilen der Druckminderungseinrichtung an den Motorkühlkreislauf und ihre Erwärmung durch Motorkühlwasser.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckminderungseinrichtung für eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung eines mit verdichtetem Gas betriebenen Fahrzeugs anzugeben, bei der eine Vereisung von Bauteilen auf möglichst einfache Weise vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Druckminderungseinrichtung für eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug angegeben, wobei die Druckminderungseinrichtung zur Reduzierung eines Kraftstoffdruckes von einem Tankdruck auf einen Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung geeignet ist. Die Druckminderungseinrichtung weist ein Gehäuse auf, wobei ein Bereich einer Außenseite des Gehäuses als Erwärmungsbereich ausgebildet ist.
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In dem Erwärmungsbereich weist das Gehäuse eine vergrößerte Oberfläche mit Wärmeaustauschstrukturen auf. Die Wärmeaustauschstrukturen stehen im Betrieb in Kontakt mit der umgebenden Luft.
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Bei dieser Druckminderungseinrichtung kann über die vergrößerte Oberfläche im Erwärmungsbereich ausreichend Umgebungswärme in das Gehäusematerial aufgenommen werden, so dass eine Vereisung vermieden wird.
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Der Erwärmungsbereich ist derart ausgebildet, dass er im eingebauten Zustand der Druckminderungseinrichtung, falls diese im Motorraum eingebaut wird, in direktem Kontakt mit der im Motorraum befindlichen Luft steht. Dadurch nimmt das Gehäuse unmittelbar Wärme aus der vorbeistreichenden Luft auf.
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Die Erwärmung erfolgt dabei passiv durch Aufnahme von Wärme aus der umgebenden Luft über die durch die Wärmeaustauschstrukturen vergrößerte Oberfläche. Das hat den Vorteil, dass auf separate Einbauten wie Heizkreise, Anschlüsse für Motorkühlwasser, Sensoren und Regler verzichtet werden kann. Die Druckminderungseinrichtung ist somit besonders robust, leicht und kostengünstig ausgebildet.
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Ferner hat die Druckminderungseinrichtung den Vorteil, dass auch eine unnötig starke Erwärmung des Gehäuses und damit des durch das Gehäuse geleiteten Kraftstoffs vermieden wird. Bei einer Erwärmung mittels Motorkühlwasser findet oftmals eine unnötig starke Erwärmung des Kraftstoffes statt, was eine unerwünschte Reduktion des Gesamtwirkungsgrads zur Folge hat. Die Druckminderungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ermöglicht somit auch eine Effizienzsteigerung, da sie den Kraftstoff bei einer möglichst tiefen Temperatur belässt und so eine höhere Füllung der Brennkammer ermöglicht.
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Unter einer vergrößerten Oberfläche wird hier und im Folgenden eine Oberfläche verstanden, die durch die Wärmeaustauschstrukturen vergrößert ist und somit gegenüber einem aktiv gekühlten Gehäuse zusätzliche, ausschließlich dem Zweck des passiven Wärmeaustauschs dienende Bereiche aufweist. Demnach ist die Oberfläche gegenüber der Oberfläche eines Gehäuses vergrößert, das nicht den passiven Wärmeaustausch mittels der Wärmeaustauschstrukturen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist.
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Unter einem mit verdichtetem Gas betriebenen Fahrzeug wird hier und im Folgenden ein Fahrzeug verstanden, in dem als Kraftstoff einer Brennkraftmaschine unter Druck, beispielsweise unter einem Druck von 200 oder 250 bar, in einem Tank vorgehaltenes Gas verwendet wird.
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Die Druckminderungseinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie die Reduzierung des Tankdrucks auf den Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung ermöglicht. Typischerweise beträgt der Versorgungsdruck von Kraftstoffeinblasvorrichtungen 5 bis 20 bar. Die Reduzierung des Drucks erfolgt durch eine regelbare Expansion, wobei für die Regelung ein Stellglied vorgesehen sein kann. Die Druckminderungseinrichtung kann dabei ein- oder mehrstufig ausgebildet sein d.h., die Expansion kann in einem oder in mehreren Schritten erfolgen. Zumindest an einer Stufe ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Erwärmungsbereich vorgesehen. Ist die Druckminderungseinrichtung mehrstufig ausgebildet, so ist ein Erwärmungsbereich typischerweise zumindest an derjenigen Stufe vorgesehen, an der die stärkste Expansion stattfindet, also die größte Kältemenge anfällt. Es können auch an mehreren Stufen bzw. an jeder Stufe Erwärmungsbereiche vorgesehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse im Erwärmungsbereich eine Anzahl von Rippen auf, die sich auf einer Außenseite des Gehäuses im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses erstrecken. Die Rippen können in Längs- oder Querrichtung des Gehäuses parallel zueinander oder in einer anderen Formation angeordnet sein. In dieser Ausführungsform sind demnach die Wärmeaustauschstrukturen als Rippen ausgebildet.
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Die Rippen können unter Berücksichtigung der in ihrer Umgebung auftretenden Luftströmung angeordnet und ausgeformt werden. Dazu können sie auch leicht geneigt und damit abweichend von der Senkrechten zur Oberfläche des Gehäuses positioniert werden. Auch eine derartige Anordnung von Rippen wird hier als "im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses" bezeichnet, weil die Abweichung von der Senkrechten nur bis zu etwa 30 Grad beträgt.
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Wie sich herausgestellt hat, kann das Gehäuse über die Rippen ausreichend Umgebungswärme aus der Umgebung, beispielsweise dem Motorraum, aufnehmen, so dass eine Vereisung von Bauteilen auch bei tiefen Temperaturen von beispielsweise –20 °C verhindert wird. Auch in extremen Situationen, beispielsweise beim Startvorgang bei Volllast bei extrem tiefen Außentemperaturen kann eine passive Erwärmung des Gehäuses über die Rippen ausreichen. Ist die Brennkraftmaschine bereits einige Zeit in Betrieb, so ist die Temperatur im Motorraum deutlich höher als die Außentemperatur. Daher ist auch bei längeren Fahrten die passive Erwärmung ausreichend.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Rippen aus Metall ausgebildet, insbesondere aus demselben Material wie das übrige Gehäuse. Dies erlaubt aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen einen besonders guten Wärmeaustausch.
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Insbesondere können die Rippen auch einstückig mit dem übrigen Gehäuse bzw. mit Teilen des Gehäuses ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse mit den Rippen in einem Gußprozess hergestellt oder die Rippen an das Gehäuse angeschweißt und somit fest mit ihm verbunden sein. Die Rippen können auch in das als massiver Block hergestellte Gehäuse eingefräst sein. Die einstückige Ausbildung hat den Vorteil, dass der Herstellungsprozess für das Gehäuse nur geringfügig modifiziert werden muss. Zudem ist durch die einstückige Ausbildung ein besonders guter Wärmeübergang sichergestellt.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Rippen lösbar mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere angenietet, angeschraubt oder angesteckt. Für eine gut wärmeleitfähige Anbindung an das Gehäuse kann eine Wärmeleitpaste verwendet werden. Das hat den Vorteil, dass die Rippen als optionales Anbauteil konzipiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Druckminderungseinrichtung einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Expansionsbereich auf, in dem der Kraftstoff expandiert wird, wobei der Erwärmungsbereich an demjenigen Bereich des Gehäuses ausgebildet ist, der den Expansionsbereich umgibt. Dies hat den Vorteil, dass Wärme aus dem Motorraum dort in das Gehäuse aufgenommen wird, wo die größte Kältemenge anfällt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Druckminderungseinrichtung einen piezoelektrischen Aktor als Stellglied auf. Piezoelektrische Aktoren haben besonders kurze Ansprechzeiten und erlauben somit eine sehr exakte Regelung von Durchflussmengen. In einer alternativen Ausführungsform weist die Druckminderungseinrichtung ein elektromagnetisches Stellglied auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug angegeben, die einen als Druckbehälter ausgebildeten Tank zur Vorhaltung des verdichteten Gases, die beschriebene Druckminderungseinrichtung zur Reduzierung eines Kraftstoffdruckes von einem Tankdruck auf einen Versorgungsdruck einer Kraftstoffeinblasvorrichtung sowie eine Zufuhrleitung zur Zuführung von Gas von der Druckminderungseinrichtung zu zumindest einer Kraftstoffeinblasvorrichtung einer Brennkraftmaschine aufweist. Eine derartige Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung für ein mit verdichtetem Gasbetriebenes Fahrzeug ist vor einem Vereisen von Bauelementen aufgrund der bei der Expansion anfallenden Kälte wirksam geschützt, wobei auf eine aktive Erwärmung von Bauelementen verzichtet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung ferner eine Heizeinrichtung zur geregelten Erwärmung des Gehäuses im Erwärmungsbereich auf.
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Die Heizeinrichtung kann dabei beispielsweise auch als Anschluss an ein Motorkühlsystem ausgebildet sein. Die Heizeinrichtung ist regelbar und hat die Aufgabe, das Auftreten zu niedriger Temperaturen an Bauelementen des Druckminderers in denjenigen Ausnahmefällen zu verhindern, in denen eine passive Erwärmung nicht ausreichend ist. Bei dieser Ausführungsform findet im Normalbetrieb ausschließlich eine passive Erwärmung im Erwärmungsbereich statt, lediglich in Ausnahmefällen wird diese durch eine aktive Erwärmung mittels der Heizeinrichtung ergänzt. Dies hat den Vorteil, dass im Normalbetrieb eine zu starke Erwärmung, die zu einer Effizienzminderung führen würde, vermieden wird.
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In einer Ausführungsform ist als Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass eine besonders einfache und schnelle Regelung möglich ist. Eine derartige Heizeinrichtung kann zusammen mit der Steuerung des Aktors in einem Gehäuse unmittelbar am Gehäuse der Druckminderungseinrichtung angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform ist in der Nähe des Gehäuses der Druckminderungseinrichtung ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstroms an den Erwärmungsbereich angeordnet. Der Luftstrom erlaubt eine verbesserte Zufuhr von Wärme aus der Umgebung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit der beschriebenen Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung angegeben.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich um ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug, insbesondere um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder einen Bus.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch ein mit verdichtetem Gas betriebenes Fahrzeug mit einer Druckminderungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt schematisch eine Schnittansicht des Gehäuses der Druckminderungseinrichtung gemäß 1 und
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des Gehäuses gemäß 2.
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1 zeigt ein lediglich gestrichelt angedeutetes Fahrzeug 1, das insbesondere als Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Bus ausgebildet ist. Das Fahrzeug 1 wird mit verdichtetem Erdgas (englisch "compressed natural gas", CNG) als Kraftstoff betrieben.
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Dazu weist das Fahrzeug 1 eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Anzahl von Zylindern 3 auf, in denen das Erdgas verbrannt wird. In der gezeigten Ausführungsform weist die Brennkraftmaschine 2 vier Zylinder 3 auf, von denen jedoch nur einer dargestellt ist.
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Der Kraftstoff gelangt über eine Kraftstoffeinblasvorrichtung 4 in die nicht gezeigte Brennkammer des Zylinders 3. Der Kraftstoffeinblasvorrichtung 4 vorgeschaltet ist eine Kraftstoffverteilerleiste 5, die aus der Zuleitung 10 zugeführten Kraftstoff in die einzelnen Kraftstoffeinblasvorrichtungen 4 und die ihnen zugeordneten Zylinder 3 verteilt.
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Die Kraftstoffeinblasvorrichtung 4 arbeitet typischerweise mit einem Kraftstoffdruck von etwa 5–20 bar. Dieser Druck p2 herrscht auch in der Zuleitung 10. Demgegenüber wird das verdichtete Erdgas in als Druckbehälter ausgebildeten Tanks 6 unter einem Druck p1 von etwa 200 oder 250 bar vorgehalten. Dieser Druck p1 herrscht auch in der Zuleitung 7, die von den Tanks 6 über einen Filter 8 zur Druckminderungseinrichtung 9 führt. Die Druckminderungseinrichtung 9 reduziert den Druck p1 auf den Druck p2. Der Filter 8 kann auch in der Druckminderungseinrichtung 9 integriert sein.
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Zur Reduzierung des Drucks wird der Kraftstoff in der Druckminderungseinrichtung 9 expandiert. Dabei kühlt er sich erheblich ab. In der Druckminderungseinrichtung 9 fällt somit im Betrieb Kälte an, die über Bauelemente der Druckminderungseinrichtung 9 abgeführt wird. Dabei besteht die Gefahr, dass diese Bauelemente vereisen und ausfallen.
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Um dies zu verhindern, weist die Druckminderungseinrichtung 9 einen in 1 nicht gezeigten Erwärmungsbereich auf, in dem verstärkt Wärme aus dem ihn umgebenden Motorraum 14 aufgenommen wird. Eine mögliche Ausbildung des Erwärmungsbereichs ist in den 2 und 3 näher gezeigt.
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Gegenwärtig existieren verschiedene Technologien, mit denen das Einblasen des Kraftstoffs umgesetzt wird. Beispielsweise kann eine Einspritzung des Kraftstoffs in das in 1 nicht gezeigte Saugrohr oder direkt in die Brennkammer des Zylinders 3 erfolgen. Die Druckminderungseinrichtung 9 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann im Zusammenhang mit den verschiedenen Technologien zum Einsatz kommen, sie ist nicht auf eine bestimmte Ausbildung der Kraftstoffeinblasvorrichtung 4 beschränkt. Sie ist auch nicht auf eine bestimmte Ausbildung der Brennkraftmaschine 2 bzw. eine bestimmte Anzahl von Zylindern 3 beschränkt.
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2 zeigt das Gehäuse 11 der Druckminderungseinrichtung 9 im Querschnitt. Das Gehäuse 11 weist einen Einlass 12 auf, an dem Kraftstoff mit dem Druck p1 eintritt. Es weist ferner einen Auslass 13 auf, an dem Kraftstoff mit dem Druck p2 austritt. Vor dem Einlass 12 ist typischerweise ein nicht dargestelltes Absperrventil vorgesehen. Insbesondere kann ein Absperrventil unmittelbar am Tank 6 angeordnet sein, mit dem sich die Kraftstoffzufuhr beispielsweise bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine 2 oder bei der Umschaltung auf eine andere Kraftstoffart abstellen lässt.
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Die in 2 gezeigte Druckminderungseinrichtung 9 weist als Stellglied einen von der nicht dargestellten Motorsteuerung geregelten piezoelektrischen Aktor 15 auf. Der Aktor 15 ist mit einem Ventil 16 verbunden, über das der Durchfluss durch eine Öffnung 17 regelbar ist. Ausgangsseitig des Ventils 16 ist eine erste Kammer 18 angeordnet, in der ein Kolben 19 beweglich gelagert ist. Der Kolben 19 ist in einem Zylinder 21 angeordnet und gegen die Kraft einer Feder 20 beweglich.
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In der zweiten Kammer liegt der Druck p2 an. Eine Ablaufdrossel 23 verbindet die erste Kammer 18 mit dem Auslass 13 der Druckminderungseinrichtung 9. Für eine Regelung des piezoelektrischen Aktors 15 werden typischerweise die Drücke p1 und p2 mittels Drucksensoren gemessen.
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Im Betrieb verschiebt der piezoelektrische Aktor 15 das Verschlussstück des Ventils 16 gegen den Ventilsitz und steuert somit den Durchfluss von Kraftstoff durch die Öffnung 17. Eine Änderung dieses Durchflusses bedingt eine Änderung des in der ersten Kammer 18 herrschenden Druckes und somit eine Änderung der Kraft auf den Kolben 19. Der Kolben 19 wird dadurch innerhalb des Zylinders 21 verschoben. Dadurch kann Kraftstoff von der ersten Kammer 18 in die zweite Kammer 22 strömen. Wird der Kolben 19 gegen die Federkraft nach unten bewegt, so steigt der Druck p2 in der zweiten Kammer 22 an. Da die erste Kammer 18 mit dem Auslass 13 über die Ablaufdrossel 23 verbunden ist, strömt auch über die Drossel 23 Kraftstoff zum Auslass 13.
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Bei der Expansion des Kraftstoffs am Ventil 16, in der ersten Kammer 18 sowie an der Ablaufdrossel 23 fällt durch die starke Abkühlung des Kraftstoffs Kälte an. Auf der Außenseite 25 des Gehäuses 11 ist daher ein Erwärmungsbereich 26 vorgesehen, an dem dem Gehäuse 11 verstärkt Wärme aus dem umgebenden Motorraum zugeführt wird. Für eine verstärkte Aufnahme von Wärme sind in der in 2 gezeigten Ausführungsform im Erwärmungsbereich 26 Rippen 24 vorgesehen, die die Oberfläche des Gehäuses 11 vergrößern und somit die Aufnahme von Wärme verbessern.
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3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das Gehäuse 11 mit den im Erwärmungsbereich 26 angeordneten Rippen 24. In der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Rippen parallel zur Längsachse des Gehäuses 11 und senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses 11. Sie sind wie das Gehäuse 11 aus Metall ausgebildet, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Zylinder
- 4
- Kraftstoffeinblasvorrichtung
- 5
- Kraftstoffverteilerleiste
- 6
- Tank
- 7
- Zuleitung
- 8
- Filter
- 9
- Druckminderungseinrichtung
- 10
- Zuleitung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Einlass
- 13
- Auslass
- 14
- Motorraum
- 15
- piezoelektrischer Aktor
- 16
- Ventil
- 17
- Öffnung
- 18
- erste Kammer
- 19
- Kolben
- 20
- Feder
- 21
- Zylinder
- 22
- zweite Kammer
- 23
- Ablaufdrossel
- 24
- Rippen
- 25
- Außenseite
- 26
- Erwärmungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007036958 A1 [0003]
- DE 102008034581 A1 [0005]
