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Brennstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für eine Freiflugkolbenmaschine mit veränderlichem Kolbenhub
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffeinspritzeinrichtungen für Brennkraftmaschinen, insbesondere solche, die zu einer Freiflugkolbenmaschine mit veränderlichem Kolbenhub gehören.
Es ist schon im Brennkraftmaschinenbau bekannt, den Brennkraftmaschinenzylinder gleichzeitig mit mindestens einer unmittelbaren und mit mindestens einer Vorkammer-Einspritzdüse zu versehen. Bei diesen bekannten Einrichtungen ist die Steuerung der Einspritzdüsen bisher immer eine derartige gewesen, dass die Vorkammereinspritzung vor der direkten Einspritzung oder spätestens gleichzeitig mit der direkten Einspritzung beginnt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass eine wesentliche Verbesserung der Verbrennung, des Wirkungsgrades und der Belastbarkeit einer Brennkraftmaschine erzielt werden kann, wenn die unmittelbare Einspritzung, mit der die Hauptmenge des Brennstoffes eingespritzt wird, vor der Einspritzung in die Vorkammer beginnt.
Die Erklärung hiefür scheint im folgenden zu bestehen. Zur Erzielung einer raschen und vollständigen Verbrennung müssen bekanntlich die folgenden Bedingungen erfüllt werden : Der Zündverzug soll möglichst gering sein, ferner muss die Verbrennungsgeschwindigkeit gross sein, wobei die Geschwindigkeit während der ganzen Verbrennungsdauer möglichst gleichförmig bleiben soll, und schliesslich müssen die Wärmeverluste bei der Verbrennung so gering wie möglich gehalten werden.
Die gleichzeitige Erfüllung dieser Bedingungen ist bisher nicht erreicht worden. Es ist bekannt, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht werden kann, wenn die Luft in eine rasche Wirbelbewegung versetzt wird. Jedoch hat die Wirbelbewegung eine Vergrösserung des Zündverzuges und eine Erhöhung der Wärmeverluste durch die Wände der Verbrennungskammer zur Folge.
Da erfindungsgemäss die direkte Einspritzung schon beginnt, noch ehe die Vorkammereinspritzung begonnen hat, fällt der Anfang der direkten Einspritzung in eine Periode, bei der die Verbrennungsluft noch verhältnismässig ruhig ist. Infolgedessen ist der Zündverzug gering und sind die Wärmeverluste in diesem ersten Teil der Verbrennungsperiode verhältnismässig unbedeutend. Gleichzeitig geht in diesem ersten Teil der Verbrennungsperiode trotz der geringen Luftbewegung die Verbrennung verhältnismässig rasch vor sich, da in diesem Teil der Verbrennung die Luft noch reich an Sauerstoff ist.
Die nach dem Beginn der direkten Einspritzung einsetzende Einspritzung in die Vorkammer bewirkt dann eine heftigewirbelbildungder Verbrennungs- luft gerade in dem Augenblick, in dem die Verbrennung des direkt eingespritzten Brennstoffes ohne eine kräftige Durchwirbelung der Verbrennungsluft eine wesentliche Verlangsamung erfahren hätte. Diese Verlangsamung wird also erfindungsgemäss vermieden, während anderseits die Dauer der kräftigen Wirbelbewegung der Verbrennungsluft auf einen Teil der gesamten Verbrennungsperiode beschränkt wird, was zu einer wesentlichen Verminderung der Wärmeverluste durch Leitung führt.
Es ergibt sich aus dem Vorstehenden, dass durch den Erfindungsgedanken, der darin besteht, die Einspritzung in die Vorkammer erst nach der Einspritzung der Hauptmenge auf direktem Wege beginnen zu lassen, eine ausserordentlich günstige Verbrennung erzielt wird. In der Tat ermöglicht es die Erfindung, die bisher nur theoretisch bekannten Bedingungen für eine günstige, mit geringsten Verlusten vor sich gehende Verbrennung in die Praxis zu überführen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, die jedoch, ebenso wie die nachfolgende Beschreibung, nur einige der zahlreichen möglichen Ausführungsformen als Beispiele bringt. Fig. 1 stellt den Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine mit gegenläufigen Freiflugkolben im Teillängsschnitt dar, wobei der Zylinder mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäss der Erfindung ausgerüstet ist. Fig. 2 zeigt den gleichen Zylinder im Querschnitt nach Schnitt II-II der Fig. l, sowie die Einspritzpumpe und die zur Anlage gehörenden Brennstoff-Zuführungsleitungen. Fig. 3 veranschaulicht einen entsprechenden Querschnitt
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durch einen Zylinder mit einer anders ausgebildeten Brennstoffeinspritzanlage.
In der Fig. 1 ist ein Kraft-oder Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine mit Freiflugkolben und veränderlichem Hub, etwa der Zylinder eines Brennkraftverdichters oder eines Treibgaserzeugers, der vorteilhaft im Zweitakt arbeitet, dargestellt.
Der krafterzeugende Teil der Maschine, mit Ausnahme seiner Brennstoff-Einspritzanlage, kann in beliebiger geeigneter und üblicher Weise ausgeführt sein, und z. B., wie es die Zeichnung schematisch veranschaulicht, einen Zylinder 1
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enthalten, die in der Nähe ihrer äusseren Totpunkte Einlassschlitze 4 und Auspuffschlitze 5 freilegen.
Die Zuströmkanäle, welche in diesen Einlassschlitzen münden, erhalten zweckmässig eine solche Form, dass die durch diese Schlitze in den Zylinder strömende Luft zu einer Wirbelbewegung gezwungen wird, die mehr oder weniger bis zu dem Zeitpunkt der Einspritzung des Brennstoffes andauert.
Die hin-und hergehende Bewegung der Kolben 2 und 3 wird durch beliebige, geeignete auf der Zeichnung nicht veranschaulichte Mittel in Abhängigkeit voneinander gebracht bzw. synchronisiert.
In dem Arbeitszylinder der Fig. 1 besteht die Brennkammer aus dem Raum, der sich zwischen den Stirnflächen der beiden Kolben 2 und 3 befindet, wenn diese ihren inneren Totpunkt einnehmen.
Bei der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform ist eine Düse od. dgl. mit unmittelbarer Einspritzung 6 und eineVorkammerEinspritzvorrichtung 7 an im Durchmesser gegen- überliegenden Stellen der gleichen Querschnittsebene des Zylinders 1 angeordnet.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind zwei Düsengruppen vorgesehen, deren jede eine Düse mit unmittelbarer Einspritzung 61 bzw. 62 und eine Vorkammer-Einspritzvorrichtung 71 bzw. 72 enthält ; diese Düsen od. dgl. sind hiebei derart angeordnet, dass die Einrichtungen der gleichen Art der beiden Gruppen an im Durchmesser einander gegenüberstehenden Stellen liegen.
Die Düsen mit unmittelbarer BrennstoffEinspritzung und diejenigen mit Vorkammer können von derselben Brennstoffpumpe 8 (Fig. 2) oder aber durch zwei verschiedene Pumpen 8 a, 8b (Fig. 3) gespeist werden, von denen die eine alle unmittelbar belieferten Düsen ssj, ssa, die andere alle diejenigen mit Vorkammer 71, 72 versorgt.
Erfindungsgemäss ist die Anordnung so getroffen, dass die Einspritzung durch die eine oder durch mehrere unmittelbar liefernde Düsen vor derjenigen durch die Vorkammer-Einspritzvorrichtungen beginnt, die u. a. eine Verkürzung des sich sonst ziemlich lange hinziehenden Endes der Brenndauer des unmittelbar zugeführten Brennstoffes herbeiführt.
Um diese zeitliche Verschiebung zwischen den beiden Einspritzarten zu erreichen, kann im Falle der Fig. 2, in welchem dieselbe Pumpe die beiden Arten der Brennstoffeinspritzung speist, die Leitung 9, welche die Pumpe mit der Vorkammerdüse 7 verbindet, eine grössere Länge erhalten, als die Leitung 10, die von derselben Pumpe zu der Düse 6 mit unmittelbarer Einspritzung führt.
Zu diesem Zweck ist in die Leitung 9 eine als"Phasenverschieber"zu bezeichnende Vorrichtung eingebaut, welche aus einem zylindrischen Kernstück 11 mit einer auf seinem äusseren Umfang eingeschnittenen Schraubennut 12 und aus einer Zylinderhülse 13 bestehen kann, welche z. B. durch Aufpressen, Aufschrumpfen od. dgl. auf dem Kernstück 11 befestigt sein kann. Das Ganze ist so ausgebildet, dass die Schraubennut einen Teil der Leitung 9 bildet.
Werden die unmittelbar einspritzenden Düsen und die Vorkammer-Einspritzvorrichtungen von verschiedenen Pumpen gespeist (Fig. 3), so lässt sich die gewünschte Phasenverschiebung der beiden Einspritzzeiten durch verschiedene Aufkeilwinkel und/oder eine geeignete Form der die Pumpen treibenden Nocken 14 a und 14 b erreichen.
Ist die Einspritzanlage gemäss der Erfindung an einem Arbeitszylinder angebracht, dessen Luftzuführungsdruck sehr veränderlich ist, so ist es zweckmässig, die Phasenverschiebung zwischen der unmittelbaren Einspritzung und derjenigen mit Vorkammer in Abhängigkeit von diesem Zuführungsdruck zu regeln, u. zw. am besten derart, dass die Phasenverschiebung um so grösser wird, je mehr die Zuführungsdrücke steigen.
Handelt es sich um eine Freiflugkolbenmaschine, bei welcher die ganze Einspritzung in ihrer Gesamtheit zeitlich vorverlegt werden soll wenn der Druck wächst, so wirdin Anwendung dieses Gedankens beim Betrieb mit höherem Druck die Brennstoff-Zuführungszeit der unmittelbar einspritzenden Düsen mehr vorverlegt als die der Vorkammer-Einspritzvorrichtungen.
Es sei hier bemerkt, dass sich der Fall der Änderung des Zuführungsdruckes zum Arbeitszylinder besonders bei Treibgaserzeugern für heisse Druckgase einstellt ; solche Maschinen enthalten einen zum Antrieb und einen zur Verdichtung dienenden Teil, welcher den ersteren mit Luft unter ver- änderlichem Druck beliefert, während die heissen Druckgas durch den Antriebsteil in der Form eines Überschussgemisches an Spülluft und Verbrennungsgasen abgegeben werden, wobei der Druck dieses Gemisches mit dem der zugeführten Frischluft veränderlich ist.
Was die Regelung der Brennstoffmenge betrifft, die durch die beiden Arten der Einspritzung zugeführt wird, so wird diese, wie erwähnt, zweckmässig so eingerichtet, dass die unmittelbar eingespritzte Brennstoffmenge grösser ist als die seitens der Vorkammer-Einspritzvorrichtungen gelieferte.
Häufig kann es vorteilhaft sein, das Verhältnis der durch die Vorkammer-Vorrichtungen gelieferten Brennstoffmenge Q, zu der unmittelbar
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eingespritzten Brennstoffmenge Qu in Abhängigkeit von der Leistung zu ändern. Dieses Ver-
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Leistungen) und 1 : 5 (für Vollastbetrieb) ändern.
Um dies zu erzielen, kann die durch die Vorkammervorrichtungen eingespritzte Brennstoffmenge gleich gross gehalten und nur die Brennstoffmenge der unmittelbar einspritzenden Düsen geregelt werden.
Die Einspritzvorrichtungen selbst können in beliebiger geeigneter Weise ausgebildet sein.
Wenn die Luft in dem Verbrennungsraum, beispielsweise durch geeignete Anordnung der Einlassöffnungen 4, eine kreisende Wirbelbewegung um die Achse des Arbeitszylinders ausführt (vgl. den Pfeil f, Fig. 3), so können die Spritz- öffnungen der Düsen so angeordnet sein, dass ihre Spritzstrahlen im wesentlichen tangential zu diesem Wirbel gerichtet sind.
Bei jeder Ausführungsform gemäss der Erfindung lässt sich stets eine Brennstoff-Einspritzanlage schaffen, die zugleich eine rasche Verbrennung und einen guten Wirkungsgrad gewährleistet.
Die Erfindung beschränkt sich, wie erwähnt, nicht auf die im vorstehenden genauer be- schriebenen Anwendungsarten und Ausführungsformen ihrer Einzelteile, sondern umfasst auch Abänderungen derselben aller Art.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Brennstoffeinspritzeinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Maschinen mit Freiflugkolben und veränderlichem Hub, bei der für je einen Motorzylinder gleichzeitig mindestens eine unmittelbare und eine Vorkammereinspritzdüse vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbare Einspritzung vor der Einspritzung in die Vorkammer beginnt.
2. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmenge der direkten Einspritzung grösser ist als die der Vorkammereinspritzung.
3. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die gleiche Einspritzpumpe für beide Einspritzarten verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zwischen der Pumpe und den Vorkammern für den durchströmenden Brennstoff einen grösseren Widerstand besitzt als die Leitung zwischen der Pumpe und den direkten Einspritzdüsen, wobei dieser grössere Widerstand vorzugsweise durch eine grössere Leitungslänge erzeugt wird.
4. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch l, bei der die direkten Einspritzdüsen und die Einspritzdüsen der Vorkammer durch verschiedene Pumpen gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen in verschiedenen Zeitpunkten in an sich bekannter Weise mittels Nocken geeigneten Profils in Tätigkeit gesetzt werden.
5. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Differenz zwischen dem Beginn der direkten Einspritzung und dem Beginn der Einspritzung in die Vorkammer regelbar ist.
6. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen l und 5 für einen Motor mit ver- änderlichem Druck der Ladeluft, insbesondere für Treibgaserzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverlegung des Beginns der direkten Einspritzung in bezug auf den Beginn der Einspritzung in die Vorkammer wächst, sobald der Ladedruck steigt.
7. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen l, 5 und 6, bei der die Einspritzung in ihrer Gesamtheit vorverlegt wird sobald der Ladedruck steigt, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Einspritzung mehr vorverlegt wird als die Einspritzung in die Vorkammer.
8. Brennstoffeinspritzeinrichtung nach den Ansprüchen l und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Brennstoffmenge, die durch die Vorkammerdüsen eingespritzt wird, und derjenigen Menge, die durch die direkten Düsen eingespritzt wird, in Abhängigkeit von der Motorleistung veränderlich ist.
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Fuel injection device for internal combustion engines, in particular for a free-flight piston engine with variable piston stroke
The invention relates to fuel injection devices for internal combustion engines, in particular those which belong to a free-flight piston engine with a variable piston stroke.
It is already known in internal combustion engine construction to provide the internal combustion engine cylinder with at least one direct and at least one prechamber injection nozzle at the same time. In these known devices, the control of the injection nozzles has always been such that the prechamber injection begins before the direct injection or at the latest at the same time as the direct injection.
It has now been found that a significant improvement in the combustion, efficiency and resilience of an internal combustion engine can be achieved if the direct injection, with which the main amount of fuel is injected, begins before the injection into the prechamber.
The explanation for this seems to exist in the following. In order to achieve rapid and complete combustion, the following conditions must, as is well known, be met: The ignition delay should be as short as possible, the combustion speed must also be high, with the speed remaining as uniform as possible during the entire combustion period, and finally the heat losses during combustion must be that way be kept as low as possible.
The simultaneous fulfillment of these conditions has not yet been achieved. It is known that the speed of combustion can be increased if the air is swirled rapidly. However, the vortex movement increases the ignition delay and increases the heat losses through the walls of the combustion chamber.
Since, according to the invention, the direct injection begins even before the pre-chamber injection has begun, the start of the direct injection occurs during a period in which the combustion air is still relatively calm. As a result, the ignition delay is low and the heat losses in this first part of the combustion period are relatively insignificant. At the same time, in this first part of the combustion period, the combustion proceeds relatively quickly despite the slight movement of air, since the air is still rich in oxygen in this part of the combustion.
The injection into the antechamber that begins after the start of direct injection then causes the combustion air to swirl violently at the moment when the combustion of the directly injected fuel would have slowed down considerably without a strong swirling of the combustion air. This slowing down is thus avoided according to the invention, while on the other hand the duration of the powerful vortex movement of the combustion air is limited to part of the entire combustion period, which leads to a substantial reduction in heat losses through conduction.
It follows from the foregoing that the inventive idea, which consists in allowing the injection into the prechamber to begin directly after the injection of the main quantity, results in an extremely favorable combustion. In fact, the invention makes it possible to put into practice the previously only theoretically known conditions for favorable combustion with the lowest possible losses.
For a further explanation of the invention, reference is made to the drawing, which, like the description below, only provides some of the numerous possible embodiments as examples. Fig. 1 shows the working cylinder of an internal combustion engine with counter-rotating free-flight pistons in partial longitudinal section, the cylinder being equipped with the fuel injection device according to the invention. Fig. 2 shows the same cylinder in cross section according to section II-II of Fig. 1, as well as the injection pump and the fuel supply lines belonging to the system. Fig. 3 illustrates a corresponding cross section
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by a cylinder with a differently designed fuel injection system.
1 shows a power or working cylinder of an internal combustion engine with free-flight pistons and variable stroke, for example the cylinder of an internal combustion compressor or a propellant gas generator, which advantageously works in two-stroke cycles.
The power-generating part of the machine, with the exception of its fuel injection system, can be designed in any suitable and conventional manner, and z. B., as the drawing schematically illustrates, a cylinder 1
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included, which expose inlet slots 4 and exhaust slots 5 in the vicinity of their outer dead centers.
The inflow channels which open into these inlet slots are expediently shaped in such a way that the air flowing through these slots into the cylinder is forced into a vortex movement that lasts more or less until the time of fuel injection.
The reciprocating movement of the pistons 2 and 3 is brought or synchronized as a function of one another or synchronized by any suitable means not illustrated in the drawing.
In the working cylinder of FIG. 1, the combustion chamber consists of the space which is located between the end faces of the two pistons 2 and 3 when they assume their inner dead center.
In the embodiment illustrated in FIGS. 1 and 2, a nozzle or the like with direct injection 6 and an antechamber injection device 7 are arranged at points of opposite diameter in the same cross-sectional plane of cylinder 1.
In the embodiment according to FIG. 3, two groups of nozzles are provided, each of which contains a nozzle with direct injection 61 or 62 and an antechamber injection device 71 or 72; these nozzles or the like are arranged in such a way that the devices of the same type of the two groups are located at points with opposite diameters.
The nozzles with direct fuel injection and those with antechamber can be fed by the same fuel pump 8 (Fig. 2) or by two different pumps 8a, 8b (Fig. 3), one of which is all directly supplied nozzles ssj, ssa, die other all those with antechamber 71, 72 supplied.
According to the invention, the arrangement is made such that the injection through the one or more directly delivering nozzles begins before that through the antechamber injection devices which u. a. brings about a shortening of the otherwise rather long drawn-out end of the burning time of the directly supplied fuel.
In order to achieve this time shift between the two types of injection, in the case of FIG. 2, in which the same pump feeds the two types of fuel injection, the line 9, which connects the pump to the prechamber nozzle 7, can have a greater length than that Line 10 leading from the same pump to the nozzle 6 with direct injection.
For this purpose, a "phase shifter" device is installed in the line 9, which can consist of a cylindrical core piece 11 with a screw groove 12 cut on its outer circumference and a cylinder sleeve 13 which, for. B. by pressing, shrinking or the like. Can be attached to the core piece 11. The whole is designed such that the screw groove forms part of the line 9.
If the direct injecting nozzles and the pre-chamber injection devices are fed by different pumps (Fig. 3), the desired phase shift of the two injection times can be achieved by different wedge angles and / or a suitable shape of the cams 14 a and 14 b driving the pumps.
If the injection system according to the invention is attached to a working cylinder, the air supply pressure of which is very variable, it is useful to regulate the phase shift between the immediate injection and the one with an antechamber as a function of this supply pressure, u. or best in such a way that the phase shift becomes greater the more the feed pressures rise.
In the case of a free-flight piston engine, in which the entire injection is to be brought forward in time when the pressure increases, then when operating at higher pressure, the fuel supply time of the nozzles that inject directly is brought forward more than that of the prechamber injection devices .
It should be noted here that the case of a change in the supply pressure to the working cylinder occurs particularly in the case of propellant gas generators for hot compressed gases; Such machines contain a drive and a compression part, which supplies the former with air under variable pressure, while the hot pressurized gas is released by the drive part in the form of an excess mixture of scavenging air and combustion gases, the pressure of this mixture being released that of the fresh air supplied is variable.
Regarding the regulation of the amount of fuel that is supplied by the two types of injection, this is, as mentioned, expediently set up in such a way that the amount of fuel directly injected is greater than that supplied by the antechamber injection devices.
It can often be advantageous, the ratio of the amount of fuel Q supplied by the antechamber devices to that directly
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to change the injected fuel quantity Qu depending on the power. This verse
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Power) and 1: 5 (for full load operation).
In order to achieve this, the amount of fuel injected by the prechamber devices can be kept the same and only the amount of fuel of the nozzles that inject directly can be regulated.
The injection devices themselves can be designed in any suitable manner.
If the air in the combustion chamber executes a circular vortex movement around the axis of the working cylinder, for example through a suitable arrangement of the inlet openings 4 (cf. arrow f, FIG. 3), the injection openings of the nozzles can be arranged so that their Spray jets are directed essentially tangentially to this vortex.
In each embodiment according to the invention, a fuel injection system can always be created which at the same time ensures rapid combustion and good efficiency.
As mentioned, the invention is not limited to the types of application and embodiments of its individual parts described in more detail above, but also includes modifications of all kinds.
PATENT CLAIMS:
1. Fuel injection device for internal combustion engines, in particular for machines with free-flight pistons and variable stroke, in which at least one direct and one prechamber injection nozzle is provided simultaneously for each engine cylinder, characterized in that the immediate injection begins before the injection into the prechamber.
2. Fuel injection device according to claim 1, characterized in that the injection quantity of the direct injection is greater than that of the prechamber injection.
3. Fuel injection device according to claim 1, in which the same injection pump is used for both types of injection, characterized in that the line between the pump and the antechambers for the fuel flowing through has a greater resistance than the line between the pump and the direct injection nozzles, wherein this greater resistance is preferably generated by a greater length of line.
4. Fuel injection device according to claim l, in which the direct injection nozzles and the injection nozzles of the prechamber are fed by different pumps, characterized in that the pumps are set in action at different times in a manner known per se by means of cams of suitable profile.
5. Fuel injection device according to claim l, characterized in that the size of the difference between the start of the direct injection and the start of the injection into the prechamber can be regulated.
6. Fuel injection device according to claims l and 5 for an engine with variable pressure of the charge air, in particular for propellant gas generators, characterized in that the advance of the start of direct injection with respect to the start of injection into the prechamber increases as soon as the charge pressure increases.
7. Fuel injection device according to claims l, 5 and 6, in which the injection is brought forward in its entirety as soon as the boost pressure rises, characterized in that the direct injection is brought forward more than the injection into the prechamber.
8. Fuel injection device according to claims 1 and 2, characterized in that the ratio between the amount of fuel that is injected through the prechamber nozzles and that amount that is injected through the direct nozzles is variable depending on the engine power.
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