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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor
mit einem elektromagnetischen Stellglied.
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Die
folgenden Erläuterungen
beziehen sich ausdrücklich
auf einen Injektor mit einem elektromagnetischen Stellglied für eine direkte
Kraftstoffeinspritzung, ohne deshalb den allgemeinen Schutzbereich
davon zu beschränken.
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STAND DER TECHNIK
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Ein
elektromagnetischer Kraftstoffinjektor umfasst ein rohrförmiges Zylindergehäuse mit
einem zentralen Zuführkanal,
welcher die Funktion eines Kraftstoffkanals ausübt und mit einer Injektionsdüse endet,
die durch ein Injektionsventil gesteuert wird, welches durch ein
elektromagnetisches Stellglied betätigt wird. Das Injektionsventil
ist mit einem Kolben versehen, welcher starr mit einem beweglichen
Anker des elektromagnetischen Stellgliedes verbunden ist, um die
Wirkung des elektromagnetischen Stellgliedes zwischen einer Schließstellung
und einer Öffnungsstellung
der Einspritzdüse
gegen die Wirkung einer Feder, welche den Kolben in der Schließstellung
halten will, zu verschieben. Der Kolben endet mit einem Dichtkopf,
welcher in der Schließstellung durch
die Feder gegen einen Ventilsitz des Einspritzventils gedrückt wird,
um zu verhindern, dass Kraftstoff entweicht. Im Allgemeinen ist
der Dichtkopf in der Kraftstoffleitung angeordnet; folglich wird
der Dichtkopf, um aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung
des Einspritzventils zu gelangen, in einer Richtung entgegen der
Zuführrichtung
des Kraftstoffs verschoben.
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Elektromagnetische
Kraftstoffinjektoren der oben beschriebenen Bauweise sind einfach
und wirtschaftlich herzustellen und zeigen ein gutes Kosten-/Leistungs-Verhältnis. Solche
Injektoren gewährleisten
jedoch einen hohen Grad an Präzision und Stabilität beim Lenken
der Kraftstoffinjektion und solche Injektoren sind demgemäß ungeeignet
für die Verwendung „strahlgeführter" Motoren, in welchen der
Kraftstoff mit einem sehr hohen Präzisionsgrad in der Nähe der Zündkerze
injiziert werden muss; in der Tat kann in dieser Anwendungsart ein
Fehler von weniger als ein Millimeter in Richtung der Kraftstoffströmung zu
einer Benässung
der Zündkerzenelektroden führen, was
die Verbrennung ernsthaft beeinträchtigt.
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Die
JP 3050378 offenbart einen
Injektor zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder eines
Zweitaktmotors; der Injektor ist mit einem zweiteilig strukturierten
Ventilelement in einem Gehäuse versehen,
um ein erstes Ventilelement, das mit einem Ventilkopf an der Spitze
versehen ist, durch ein Führungselement
und ein Flächenelement
entlang der Achse frei beweglich zu führen. In diesem Fall ist ein konusförmiger Kraftstoff-Injektionsanschluss,
der sich nach außen
erstreckt, an der Spitze des Flächenelements
ausgebildet; zudem ist eine Kraftstoff-Messeinheit zum Bereitstellen
einer konstanten Strömungsweg-Querschnittsfläche entsprechend
einer Differenz zwischen der Querschnittsfläche eines Kraftstoffweges und
der Querschnittsfläche
des Ventilelements in Strömungsrichtung über eine
spezifische Länge
und zum Regulieren der Kraftstoff-Injektionsmenge pro Injektion
vor dem Injektionsanschluss ausgebildet, indem am Fuß des Ventilkopfes ein
Kragen bereitgestellt wird.
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Die
JP 62255569 offenbart ein
Kraftstoff-Injektionsventil; wobei ein erster und ein zweiter Stopper,
die als Stopper auf einer beweglichen Seite dienen, an einem Abstandhalter
anschlagen, der als ein Stopper auf einer feststehenden Seite dient,
um einen Arbeitstoß eines
Nadelventils konstant zu halten. Wenn eine Menge einer Kraftstoffinjektion
reguliert werden muss, bewegt sich eine als Reguliereinheit dienende
Schraube nach oben und nach unten, während der Kraftstoff injiziert
wird, um dadurch die Position eines Ventilgehäuses in Bezug zu einem Körper zu
bestimmen, um so den Arbeitstoß zu
regulieren; gleichzeitig erlaubt die Druckkraft einer Regulierungsfeder,
dass sich das Ventilgehäuse
zusammen mit der Schraube bewegt und die Feder erlaubt dem Nadelventil,
sich zusammen mit dem Ventilge häuse zu
bewegen. Wenn eine Position des Ventilgehäuses entsprechend einer vorgeschriebenen
Injektionsmenge erreicht ist, wird die Schraube an dem unteren Rand
der Öffnung
eines Körpers
durch Punktschweißung
befestigt.
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Die
JP 3043659 offenbart einen
Injektor, der einen Kraftstoff in den Zylinder eines Zweitaktmotors direkt
einspritzt; der Injektor hat ein Ventilelement, das in ein erstes
und ein zweites Ventilelement unterteilt ist, und das erste Ventilelement
wird durch ein Führungselement
und ein Flächenelement
geführt und
in einer solchen Weise gehalten, dass es axial beweglich ist, und
ein Ventilkopf ist auf seinem oberen Ende vorgesehen. Das zweite
Ventilelement ragt in den Solenoid einer elektromagnetischen Antriebseinrichtung
hinein, und ein Anker ist an dem rückseitigen Endteil befestigt.
In diesem Fall wird eine Kraftstoff-Rückkehrpassage gebildet, die
sich von einer Bypass-Passage, die einen Teil einer Kraftstoff-Injektionpassage
bildet, die sich von einem Kraftstoff-Zuführanschluss zu einem Kraftstoff-Injektionsanschluss
erstreckt, der auf der inneren Stirnseite des Flächenelements zur Kraftstoff-Tankseite
vorgesehen ist.
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Die
JP 57146049 offenbart ein
Kraftstoff-Injektionsventil, das so ausgebildet ist, dass dieses
die Leckage von Kraftstoff verhindert, wobei dieses mit einem Ventilgehäuse versehen
ist, das eine Injektionsdüse
von ihrer Innenseite öffnen
oder schließen kann,
zusätzlich
zu einem Tellerventil, welches die Injektionsmenge steuert.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Kraftstoffinjektor
mit einem elektromagnetischen Stellglied zu schaffen, welche nicht
die oben angegebenen Nachteile zeigt und insbesondere einfach und
wirtschaftlich herzustellen ist.
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Die
vorliegende Erfindung liefert einen Kraftstoffinjektor mit einem
elektromagnetischen Stellglied, wie in den angehängten Ansprüchen ausgeführt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, welche eine nicht beschränkende Ausführungsform der Erfindung zeigen,
in welchen:
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1 ein
schematischer Querschnitt mit zu Zwecken der Klarheit entfernten
Bereichen eines Kraftstoffinjektors ist, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Injektionsventils des Injektors aus 1 zeigt;
und
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Ankers eines elektromagnetischen Stellgliedes des Injektors aus 1 zeigt.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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In 1 bezeichnet 1 den
gesamten Kraftstoffinjektor, welcher eine im Wesentlichen zylindrische Symmetrie
um eine Längsachse 2 zeigt
und so betrieben werden kann, dass dieser einen Kraftstoff aus einer
Injektionsdüse 3,
welche sich direkt in eine Explosionskammer (nicht gezeigt) eines
Zylinders öffnet,
einzuspritzen. Der Injektor 1 umfasst ein monolithisches
Stützgehäuse 4,
welches eine zylindrische Röhrenform
mit variablem Querschnitt entlang der Langsachse 2 hat
und einen Zuführkanal 5 umfasst, der
sich über
die gesamte Länge
des Stützgehäuses 4 erstreckt,
um den Kraftstoff unter Druck in Richtung der Einspritzdüse 3 zuzuführen. Das
Stützgehäuse 4 beherbergt
ein elektromagnetisches Stellglied auf der Höhe eines oberen Bereichs des
Stützgehäuses und
ein Injektionsventil 7 auf der Höhe eines unteren Bereichs des
Stützgehäuses; im
Betrieb wird das Injektionsventil 7 durch das elektromagnetische
Stellglied 6 betätigt,
um die Kraftstoffströmung
durch die Injektionsdüse 3 hindurch
zu steuern, welche auf der Höhe
des Injektionsventils 7 liegt.
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Das
elektromagnetische Stellglied 6 umfasst einen Elektromagneten 8,
welcher in einer festgelegten Stellung in dem Stützgehäuse 4 aufgenommen
ist und im angeregten Zustand in der Lage ist, einen Anker 9 aus
ferromagnetischem Material entlang der Achse 2 aus einer
Schließstellung
in eine Öffnungsstellung
des Injektionsventils 7 gegen die Wirkung einer Hauptfeder 10 zu
verschieben, welche den Anker 9 in der Schließstellung
des Injektionsventils 7 halten will. Insbesondere umfasst
der Elektromagnet 8 eine Spule 11, welche durch
eine elektronische Steuereinheit (nicht gezeigt) elektrisch versorgt
wird und außerhalb
relativ zum Stützgehäuse 4 aufgenommen ist,
und einen Magnetanker 12, welcher in dem Stützgehäuse 4 aufgenommen
ist, und ein zentrales Loch 13 zeigt, um dem Kraftstoff
zu ermöglichen,
in Richtung der Einspritzdüse 3 zu
fließen.
In dem zentralen Loch 13 des Magnetankers 12 ist
ein Anschlagkörper 14 in
einer festgelegten Position angeordnet, wobei der Körper eine
rohrförmige
zylindrische Gestalt (optional offen entlang einer erzeugenden)
ist, um dem Kraftstoff zu ermöglichen,
in Richtung der Einspritzdüse 3 zu
fließen,
und in der Lage ist, die Hauptfeder 10 am Anker 9 komprimiert
zu halten.
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Der
Anker 9 ist Teil einer beweglichen Anordnung, welche darüber hinaus
einen Teller oder Kolben 15 umfasst, mit einem oberen Bereich,
der mit dem Anker 9 einstückig ist, und einem unteren
Bereich, der mit einem Ventilsitz 16 (in 2 gezeigt) des
Injektionsventils 7 zusammenwirkt, um in bekannter Weise
den Kraftstoffstrom durch die Injektionsdüse 3 zu steuern.
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Wie
in 2 gezeigt ist, hat der Ventilsitz 16 eine
Kegelstumpfform und wird durch einen Dichtkörper 17 gebildet,
welcher monolithisch ist und ein scheibenförmiges Steckerelement 18 umfasst,
welches den Zuführkanal 5 des
Stützgehäuses 4 am
Boden dicht schließt
und durch die Injektionsdüse 3 hindurchgeführt ist.
Ein Führungselement 19 erhebt
sich von dem Steckerelement 18, wobei das Führungselement
rohrförmig
ist, den Kolben 15 in sich aufnimmt, um eine untere Führung des
Kolbens 15 zu bilden, und einen Außendurchmesser hat, welcher kleiner
ist als der Innendurchmesser des Zuführkanals 5 des Stützgehäuses 4,
derart, dass ein äußerer Ringkanal 20 gebildet
wird, durch welchen der Kraftstoff unter Druck hindurchströmen kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform, welche
nicht gezeigt ist, hat das Führungselement 19 an
der Oberseite einen Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des
Zuführkanals 5 des
Stützgehäuses 4; Öffnungen
(typischerweise zwei oder vier symmetrisch verteilt) sind in den
oberen Teil des Führungselements 19 gefräst, um Kraftstoff
zu dem Ringkanal 20 zu führen.
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In
dem unteren Teil des Führungselements 19 sind
vier Durchgangslöcher 21 angeordnet
(nur zwei von diesen sind in 2 gezeigt),
welche sich zu dem Ventilsitz 16 öffnen, um zu ermöglichen,
das Kraftstoff unter Druck in Richtung des Ventilsitzes 16 strömt. Die
Durchgangslöcher 21 sind
vorzugsweise versetzt in Bezug zur Längsachse 2 in der
Weise angeordnet, dass sich nicht in Richtung der Längsachse 2 konvergieren,
um so im Betrieb den jeweiligen Kraftstoffströmen einen wirbelnden Fluss
zu verleihen; alternativ können
die Durchgangslöcher 21 in Richtung
der Längsachse 2 konvergieren.
Wie in 2 gezeigt ist, bilden die Löcher 21 einen Winkel von
90° mit
der Längsachse 2;
gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
welche nicht gezeigt ist, sind die Löcher 21 schräg und bilden
einen Winkel von im Wesentlichen zwischen 60° und 80° mit der Längsachse 2.
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Der
Kolben 15 endet mit einem Dichtkopf 22 in kegelstumpfförmiger Gestalt,
welcher in der Lage ist, in dichtender Weise an dem Ventilsitz 16 anzuliegen,
welcher eine Kegelstumpfform hat und eine negative Reproduktion
der Kegelstumpfform des Dichtkopfes 22 ist. Es ist wichtig
anzumerken, dass der Dichtkopf 22 außerhalb relativ zu Führungselement 19 angeordnet
ist und durch die Hauptfeder 10 gegen das Führungselement 19 gedrückt wird;
folglich wird, um von der Schließstellung zu der Öffnungsstellung des
Injektionsventils 7 überzugehen,
der Dichtkopf 22 entlang der Langsachse 2 nach
unten verschoben, das heißt,
in einer Richtung, welche mit der Richtung der Kraftstoffzuführung übereinstimmt.
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In
der Öffnungsstellung
des Injektionsventils 7 ist der Dichtkopf 22 von
dem Ventilsitz 16 getrennt, um so eine Öffnung zu erzeugen, welche
einen Durchgang des Kraftstoffs mit einem kreisförmigen, ringförmigen Querschnitt
und einer Kegelstumpfform; deshalb zeigt der Kraftstoff, welcher
durch die Injektionsdüse 3 hindurch
eingespritzt wird, beim Austritt eine innerlich hohle konische Form
mit einem Öffnungswinkel,
welcher im Wesentlichen identisch ist mit dem Öffnungswinkel 23 des
Dichtkopfes 22 (genau passend zu dem Öffnungswinkel des Ventilsitzes 16).
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Wie
in 3 gezeigt ist, umfasst der Anker 9 ein
Ringelement 24 und ein Scheibenelement 25, welches
das Ringelement 24 an der Oberseite schließt und ein
zentrales Durchgangsloch 26 hat, das einen oberen Bereich
des Kolbens 15 aufnehmen kann, und eine Mehrzahl von umfänglichen Durchgangslöchern 27 (nur
zwei von diesen sind in 1 gezeigt), die ermöglichen
können,
dass Kraftstoff in Richtung der Injektionsdüse 3 strömt. Ein
zentraler Bereich des Scheibenelements 25 ist in geeigneter
Weise so geformt, dass dieser ein oberes Ende der Hauptfeder 10 aufnimmt
und dieses in Position hält.
Vorzugsweise ist der Kolben 15 mit dem Scheibenelement 25 des
Ankers 9 mittels einer Ringschweißung fest verbunden.
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Das
Ringelement 24 des Ankers 9 hat einen Außendurchmesser
im Wesentlichen identisch mit dem Innendurchmesser des korrespondierenden
Bereichs des Zuführkanals 5 des
Stützgehäuses 4;
auf diese Weise kann der Anker 9 relativ zum Stützgehäuse 4 entlang
der Langsachse 2 gleiten, aber kann sich relativ zum Stützgehäuse 4 nicht
in einer Weise quer zur Längsachse 2 bewegen.
Da der Kolben 15 mit dem Anker 5 starr verbunden
ist, ist klar, dass der Anker 9 auch die Funktion der Führung der
Oberseite des Kolbens 15 ausübt; daraus ergibt sich, dass
der Kolben 15 an der Oberseite durch den Anker 9 und am
Boden durch das Führungselement 19 geführt wird.
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Eine
weitere Kalibrierungsfeder 28 ist auch vorgesehen, welche
zwischen dem Anker 9 und einem Anschlagkörper 29,
der in einer festgelegten Position in dem Stützgehäuse 4 angeordnet ist,
komprimiert; insbesondere hat die Kalibrierungsfeder 28 ein oberes
Ende, das an einer unteren Wand des Anschlagkörpers 29 anliegt,
und ein unteres Ende, das an einer oberen Wand des Scheibenelements 25 des Ankers 9 auf
der gegenüberliegenden
Seite in Bezug zur Hauptfeder 10 anliegt. Die Kalibrierungsfeder 28 übt auf den
Anker 9 eine Federkraft aus, welche in die entgegen gesetzte
Richtung zur Federkraft der Hauptfeder 10 gerichtet ist;
während
der Installation des Injektors 1 wird die Position des
Anschlagkörpers 29 in
der Weise eingestellt, dass die Federkraft, die durch die Kalibrierungsfeder 28 erzeugt
wird, damit einzustellen, um den auf den Anker 9 wirkenden
gesamten Federdruck zu kalibrieren.
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Der
Anschlagkörper 29 hat
eine Kreisform mit einem zentralen Bereich, in welchem ein Sitz 30 zum
Aufnehmen der Kalibrierungsfeder 28 ausgebildet ist, und
einen Umfangsbereich, in welchem eine Mehrzahl von Durchgangslöcher 31 angeordnet
sind (nur zwei von diesen sind in 3 gezeigt),
um dem Kraftstoff zu ermöglichen,
in Richtung der Injektionsdüse 3 zu
strömen.
Jedes Durchgangsloch 31 ist mit einem Filtrationselement 32 gekoppelt,
welches die Funktion hat, jegliche Reststoffe oder Verunreinigungen,
die im Kraftstoff vorhanden sind, zurückzuhalten.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist der Kolben 15 aus
einem oberen Teil 33 hergestellt, welches mit dem Anker 9 einstückig ist
und aus einem unteren Teil 34, welches den Dichtkopf 22 trägt; die
zwei Teile 33 und 34 des Kolbens 15 sind
mittels einer Schweißung
miteinander verbunden. Diese Lösung
ermöglicht,
Bearbeitungskosten zu begrenzen, dahingehend, dass nur der untere
Teil 34, welcher den Dichtkopf 22 trägt, einer
Präzisionsbearbeitung
ausgesetzt wird, während
der obere Teil 33 gröber
bearbeitet wird.
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Im
Betrieb wird, wenn der Elektromagnet 8 abgeregt ist, der
Anker 9 durch den Magnetanker 12 angezogen und
drückt
die Federkraft der Hauptfeder 10 den Anker 9 zusammen
mit dem Kolben 15 nach oben; in dieser Situation wird der
Dichtkopf 22 des Kolbens 15 gegen den Ventilsitz 16 des
Einspritzventils 7 gedrückt,
wodurch verhindert wird, dass Kraftstoff entweichen kann. Wenn der
Elektromagnet 8 angeregt ist, wird der Anker 9 magnetisch
durch den Magnetanker 12 gegen die Federkraft der Hauptfeder 10 angezogen
und wird der Anker 9 zusammen mit dem Kolben 15 nach
unten verschoben, bis dieser in Kontakt mit dem Magnetanker 12 kommt;
in dieser Situation wird der Dichtkopf 22 des Kolbens 15 relativ
zum Ventilsitz 16 des Injektionsventils 7 gesenkt
und kann der Kraftstoff durch die Injektionsdüse 3 hindurchströmen.
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Wie
vorher ausgeführt,
sind die vier Durchgangslöcher 21,
welche sich zum Ventilsitz 16 hin öffnen, vorzugsweise in Bezug
zur Längsachse 2 in
der Weise versetzt angeordnet, dass sie nicht in Richtung der Längsachse 2 konvergieren,
um so im Betrieb den jeweiligen Kraftstoffströmen einen wirbelnden Strom
zu verleihen. Ein solcher wirbelnder Strom des Kraftstoffs unmittelbar
stromaufwärts
des Ventilsitzes 16 ermöglicht,
eine homogene und gleichmäßige Verteilung
des Kraftstoffs um den gesamten Umfang zu erreichen und vermeidet
die Bildung von „leeren" Zonen, das heißt, Zonen,
in welchen eine verringerte Menge von Kraftstoff vorhanden ist.
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Wenn
der Dichtkopf 22 des Kolbens 15 relativ zu Ventilsitz 16 angehoben
ist, erreicht der Kraftstoff die Injektionsdüse 3 durch den äußeren Ringkanal 20 und
danach durch die vier Durchgangslöcher 21; mit anderen
Worten, wenn der Dichtkopf 22 des Kolbens 15 relativ
zu Ventilsitz 16 angehoben ist, erreicht der Kraftstoff
die Injektionsdüse 3 und
benetzt die gesamte äußere Seitenfläche des
Führungselements 19.
Auf diese Weise wird das Führungselement 19 durch
den Kraftstoff gekühlt,
welcher sich auf einer relativ niedrigen Temperatur befindet; dieser
Kühleffekt
des Führungselements 19 wird
auf den gesamten Dichtkörper 17 (welcher
monolithisch ist) übertragen
und somit auch auf das Steckerelement 18 übertragen,
in welchem die Injektionsdüse 3 angeordnet
ist. Mit anderen Worten, agiert das Führungselement 19,
welches innerlich und äußerlich
konstant durch den Kraftstoff benässt wird, als Radiator zum Verteilen
der Wärme,
die von außerhalb
erhalten wird und in dem Steckerelement 18 vorhanden ist.
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Ein
experimenteller Versuch hat gezeigt, dass die Verringerung der Betriebstemperatur
des Steckerelements 18 zur beachtlichen Reduktion bei der
Bildung von Ablagerungen auf der äußeren Oberfläche des
Steckerelements 18 und somit in der Nähe des Ventilsitzes 16 führt. Dank
dieses Effekts der reduzierten Bildung von Ablagerungen in der Nähe des Ventilsitzes 16 hat
der oben beschriebene Injektor 1 ein sehr langes Wartungsintervall.
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Der
oben beschriebene Injektor 1 zeigt zahlreiche Vorteile,
dahingehend, dass dieser einfach und wirtschaftlich herzustellen
ist, dieser eine genaue Kalibrierung der Strömungsrate des Kraftstoffes ermöglicht und
in erster Linie hohe Grade an Präzision
und Stabilität
beim Lenken der Kraftstoffinjektion zeigt. Folglich ist der oben
beschriebene Injektor 1 besonders für die Verwendung in einem „strahlgeführten" Motor geeignet,
in welchem der Kraftstoff mit sehr hoher Präzision in die Nähe der Zündkerze
injiziert werden muss.