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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Einspritzraten- und/oder Einspritzmassenbestimmung gemäß der Oberbegriffe
der unabhängigen
Ansprüche.
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Im
Rahmen der Entwicklung von Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen
ist die Analyse hydraulischer Kenngrößen von großer Bedeutung. Von Interesse
ist insbesondere die Erfassung des zeitlichen Verlaufes der eingespritzten
Kraftstoffmasse eines einzelnen Einspritzvorganges.
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Vorbekannt
aus der
DE 11 61 082
C2 ist eine Anordnung von hydraulischen Bauelementen, die
einen Einspritzverlaufsindikator bilden. Der Einspritzverlaufsindikator
dient der Bestimmung des zeitlichen Verlaufes einer eingespritzten
Kraftstoffmasse. Eine zu analysierende Kraftstoffeinspritzdüse ist hydraulisch
mit dem einen Ende eines Messrohres verbunden. Im Bereich der Spritzöffnung der
Kraftstoffeinspritzdüse
ist ein Sensor zur Erfassung dynamischer Druckerhöhungen an
oder in dem Messrohr angeordnet. Ein Überdruckventil und eine justierbare
hydraulische Drosselblende sind mit dem der Kraftstoffeinspritzdüse gegenüberliegenden Ende
des Messrohres hydraulisch verbunden. Das gesamte Messrohr ist mit
Kraftstoff oder einem geeigneten Prüffluid gefüllt. Mittels des Überdruckventils
wird ein bestimmter Druck des Prüffluids
im Messrohr aufrecht gehalten. Die hydraulische Drosselblende dient
zur Einstellung des Reflektionsverhaltens. Das während der Einspritzung in das
Messrohr geförderte
Prüffluid
durchströmt
das gesamte Messrohr und tritt an dem der Kraftstoffeinspritzdüse gegenüberliegenden
Ende des Messrohres aus einer in dem Überdruckventil vorgesehenen Öffnung aus.
Die Einspritzung von Prüffluid
in das mit Prüffluid
gefüllte
Messrohr ruft eine dynamische Druckerhöhung in dem Prüffluid hervor,
die direkt proportional zur eingespritzten Prüffluidmasse pro Zeiteinheit ist.
Diese Druckerhöhung
wird mittels des beschriebenen Sensors erfasst.
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Auf
Grundlage folgender mathematischer Zusammenhänge:
lassen
sich:
- • die
eingespritzte Prüffluidmasse
pro Zeiteinheit bzw. die Einspritzrate m · sowie
- • die
eingespritzte Prüffluidmasse
m
berechnen.
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Weiterentwicklungen
dieser grundlegenden Bauweise eines Einspritzverlaufsindikators
weisen außerdem
mindestens einen Sensor zur Erfassung der Prüffluidtemperatur im Messrohr
sowie ein Sicherheitsventil, ein zusätzliches Puffervolumen, einen
Systemdrucksensor und anstelle des Überdruckventils ein Druckregel- oder
Druckbegrenzungsventil auf. Weiterhin wird häufig eine gravimetrische Summenmessung
zur Bestimmung der eingespritzten Prüffluidmasse, welche innerhalb
mehrerer Einspritzvorgänge
durch das Messrohr gefördert
wird, nach deren Austritt aus dem Messrohr durchgeführt, siehe 1.
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Ein
besonderer Nachteil des oben beschriebenen Einspritzverlaufsindikators
liegt darin, dass das Prüffluid
das gesamte Messrohr durchläuft.
Im Einzelnen führt
das zu folgenden Schwierigkeiten:
- • Je nach
Betriebspunkt ändern
sich die Temperaturverteilungen des Prüffluids auf der Länge des
gesamten Messrohres. Mit geänderter
Temperatur des Prüffluids ändern sich
auch die physikalischen Eigenschaften des Prüffluids über die Länge des Messrohres und erschweren
eine genaue Berechnung der eingespritzten Prüffluidmasse.
- • Änderungen
der Temperaturverteilungen erzeugen so genannte Scheindurchflüsse, die
einen Vergleich der eingespritzten Prüffluidmasse mit einer gravimetri schen
Summenmessung erschweren, da thermische Einschwingzeiten des Einspritzindikators
berücksichtigt
werden müssen,
um das jeweilige Analyseergebnis nicht zu verfälschen.
- • Unterschiedliche
Temperaturverteilungen des Prüffluids
verursachen aufgrund der thermischen Materialausdehnung der Bauteile
der justierbaren hydraulischen Drosselblende Änderungen der effektiven Drosselblendenquerschnittsfläche und
erfordern unter Umständen
eine Nachjustierung der hydraulischen Drosselblende im Betrieb des
Einspritzverlaufsindikators.
- • Aufgrund
des erheblichen Prüffluidvolumens
in dem Einspritzverlaufsindikator, das thermischen Schwankungen
unterliegt und aufgrund der erheblichen Masse der hydraulischen
Bauelemente des Einspritzverlaufsindikators, deren Wärmekapazitäten die
thermische Einschwingzeit des Einspritzverlaufsindikators negativ
beeinflussen, sind lange Einschwingzeiten und ungünstige Kalibriervoraussetzungen
die Folge.
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Zur
Erhöhung
der Messgenauigkeit eines Einspritzverlaufsindikators wird in der
DE 39 16 418 C2 vorgeschlagen,
das gesamte Messrohr in ein Flüssigkeitsbad
einzusetzen, dessen Temperatur konstant gehalten wird.
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Eine
derartige Kühlvorrichtung
erhöht
die baulichen und finanziellen Aufwendungen eines Einspritzverlaufsindikators
erheblich. Längere
thermische Einschwingzeiten sind mit dieser Kühlvorrichtung ebenfalls nicht
in jedem Fall auszuschließen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Einspritzraten- und/oder Einspritzmassenbestimmung
bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweisen.
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Lösung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bis 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft
ist das Messrohr eines Einspritzverlaufsindikators mit einer Prüffluidrücklaufleitung
hydraulisch verbunden. Die Prüffluidrücklaufleitung
ist stromabwärts
der mit dem einen Ende des Messrohres hydraulisch verbundenen Kraftstoffeinspritzdüse mit dem
Messrohr hydraulisch verbunden. Bevorzugt ist die Prüffluidrücklaufleitung
räumlich
nahe der Spritzöffnung
der mit dem einen Ende des Messrohres verbundenen Kraftstoffeinspritzdüse mit dem
Messrohr hydraulisch verbunden. Als räumlich nahe ist im Sinne des
Erfindungsgedankens bevorzugt eine hydraulische Verbindung der Prüffluidrücklaufleitung
mit dem Messrohr in einem Abstand von bis zu 100 mm, gemessen von
der mit dem einen Ende des Messrohres verbundenen Kraftstoffeinspritzdüse, anzusehen.
Die hydraulische Verbindung der Prüffluidrücklaufleitung mit dem Messrohr
muss jedoch in dem ersten Viertel der Gesamtlänge des Messrohres, gemessen
von der mit dem einen Ende des Messrohres verbundenen Kraftstoffeinspritzdüse, vorgesehen
sein. Das Ende des Messrohres, welches der mit dem einen Ende des
Messrohres hydraulisch verbundenen Kraftstoffeinspritzdüse gegenüberliegt,
ist hydraulisch dicht abgeschlossen. Auf diese Weise wird vorteilhaft
das in das Messrohr eingespritzte Prüffluidvolumen über die
mit dem Messrohr hydraulisch verbundene Prüffluidrücklaufleitung räumlich nahe
der Spritzöffnung
der Kraftstoffeinspritzdüse
abgeführt
und durchläuft
somit nicht mehr das gesamte Messrohr. Die erzielbaren Messgenauigkeiten
werden aufgrund der eingeschränkten
Temperaturspreizung des Prüffluids
und der Sensorik verbessert. Weiterhin treten geringere Bauteilausdehnungseffekte
auf und es herrscht eine gleichmäßige Temperaturverteilung
im Messrohr.
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Es
ist weiterhin erfindungsgemäß vorteilhaft
vorgesehen, ein hydraulisches Drosselelement hydraulisch mit der
Prüffluidrücklaufleitung
zu verbinden. Dieses hydraulische Drosselelement verhindert einen übermäßigen Abfluss
von Prüffluid
aus dem Messrohr.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung ist ein elektrisch betätigtes Ventil
hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung
verbunden. Dieses elektrisch betätigte
Ventil ist stromabwärts
oder stromaufwärts
des hydraulischen Drosselelementes mit der Prüfmittelrücklaufleitung hydraulisch verbunden.
Das elektrisch betätigte
Ventil verhindert den Rücklauf
von Prüffluid über die
Prüfmittelrücklaufleitung
während
des Zeitbereiches, in dem eine Erfassung der dynamischen Druckerhöhung im
Messrohr erfolgen muss.
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Es
ist ausserdem von Vorteil, ein Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil
hydraulisch mit der Prüfmittelrücklaufleitung
zu verbinden. Das Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil ist bevorzugt
stromabwärts des
hydraulischen Drosselelementes und des elektrisch betätigten Ventils
mit der Prüfmittelrücklaufleitung
hydraulisch verbunden. Dieses Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil
kann sowohl mechanisch, elektrisch, fluidgesteuert oder mittels
eines Gases gesteuert ausgelegt sein. Die Hauptfunktion des Druckregel-
oder Druckbegrenzungsventils ist die Regelung des statischen Prüffluiddruckes
innerhalb des Messrohres. Dabei kann der Steueranschluss des Druckregel-
oder Druckbegrenzungsventils stromaufwärts oder stromabwärts des
hydraulischen Drosselelementes mit der Prüffluidrücklaufleitung oder direkt mit
dem Puffervolumen hydraulisch verbunden sein.
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In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wärmetauscher
hydraulisch mit dem Messrohr verbunden. Der Wärmetauscher ist stromabwärts der
Kraftstoffeinspritzdüse
und stromaufwärts der
hydraulischen Verbindung von Prüffluidrücklaufleitung
und Messrohr hydraulisch mit dem Messrohr verbunden. Ebenfalls ist
es möglich,
den Wärmetauscher
stromabwärts
der Kraftstoffeinspritzdüse
und stromabwärts
der hydraulischen Verbindung von Prüffluidrücklaufleitung und Messrohr
hydraulisch mit dem Messrohr zu verbinden. Der Wärmetauscher kann sowohl ein
Heizer als auch ein Kühler
sein. Durch die hydraulische Verbindung eines oder mehrerer Wärmertauscher
mit dem Messrohr kann die Temperaturspreizung des Prüffluids
weiter reduziert werden.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zur Einspritzraten- und/oder
Einspritzmassenbestimmung vorgeschlagen, welches folgende Schritte
umfasst:
- • Einspritzung
eines Prüffluidvolumens
in das mit Prüffluid
gefüllte
Messrohr und Erfassung der dynamischen Druckerhöhung im Messrohr,
- • Öffnen des
hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung
verbundenen, elektrisch betätigten
Ventils in einem Zeitbereich, in dem keine Erfassung der dynamischen
Druckerhöhung
im Messrohr erfolgen muss,
- • Öffnen des
hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung
verbundenen Druckregel- oder Druckbegrenzungsventils,
- • Austreten
des eingespritzten Prüffluidvolumens
aus dem mit Prüffluid
gefüllten
Messrohr in einen Sammelbehälter,
- • Schließen des
hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung
verbundenen, elektrisch betätigten
Ventils und des hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung verbundenen Druckregel-
oder Druckbegrenzungsventils.
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Beispielhaft
wird hier die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens
dargestellt. In den dazugehörigen
Figuren zeigen:
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1:
Stand der Technik; Anordnung von hydraulischen Bauelementen, die
einen Einspritzverlaufsindikator bilden,
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2:
Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3:
Darstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4:
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5:
Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
eine Anordnung von hydraulischen Bauelementen gezeigt, die einen
Einspritzverlaufsindikator A gemäß dem Stand
der Technik bildet. Eine zu analysierende Kraftstoffeinspritzdüse 1 ist
hydraulisch mit dem einen Ende eines Messrohres 2 verbunden.
Im Bereich der Spritzöffnung
der Kraftstoffeinspritzdüse 1 ist
ein Sensor zur Erfassung dynamischer Druckerhöhungen 3 und ein Sensor
zur Erfassung der Prüffluidtemperatur 4 an
oder in dem Messrohr 2 angeordnet. Im weiteren Verlauf
des Messrohres 2 ist ein Sicherheitsventil 5,
eine justierbare hydraulische Drosselblende 6, ein zusätzliches
Puffervolumen 7 und ein Systemdrucksensor 8 hydrau lisch
mit dem Messrohr 2 verbunden. Ein Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil 9 ist
mit dem der Kraftstoffeinspritzdüse 1 gegenüberliegenden
Ende des Messrohres 2 hydraulisch verbunden. Das gesamte
Messrohr 2 ist mit Kraftstoff oder einem geeigneten Prüffluid gefüllt. Mittels
des Druckregel- oder Druckbegrenzungsventils 9 wird ein
bestimmter Druck des Prüffluids
im Messrohr 2 aufrecht gehalten. Die hydraulische Drosselblende 6 dient
zur Einstellung des Reflektionsverhaltens. Das während der Einspritzung in das
Messrohr 2 geförderte
Prüffluid
durchströmt
das gesamte Messrohr 2 und tritt an dem der Kraftstoffeinspritzdüse 1 gegenüberliegenden
Ende des Messrohres 2 aus einer in dem Druckregel- oder
Druckbegrenzungsventil 9 vorgesehenen Öffnung aus. An der in dem Druckregel-
oder Druckbegrenzungsventil 9 vorgesehenen Öffnung schließt sich
eine Möglichkeit
zur Sammlung oder Rückführung des
austretenden Prüffluids, wie
etwa ein Sammelbehälter 10 oder
ein Schlauchanschluss, an.
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Gemäß 2 ist
erfindungsgemäß vorteilhaft
das Messrohr 2 eines Einspritzverlaufsindikators A mit einer
Prüffluidrücklaufleitung 11 hydraulisch
verbunden. Die Prüffluidrücklaufleitung 11 ist
stromabwärts
der mit dem einen Ende des Messrohres 2 hydraulisch verbundenen
Kraftstoffeinspritzdüse 1 mit
dem Messrohr 2 hydraulisch verbunden. Bevorzugt ist die
Prüffluidrücklaufleitung 11 räumlich nahe
der Spritzöffnung
der mit dem einen Ende des Messrohres 2 verbundenen Kraftstoffeinspritzdüse 1 mit
dem Messrohr 2 hydraulisch verbunden. Das der mit dem einen
Ende des Messrohres 2 hydraulisch verbundenen Kraftstoffeinspritzdüse 1 gegenüberliegende
Ende des Messrohres 2 ist hydraulisch dicht abgeschlossen.
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Wie
in 2 weiterhin dargestellt, ist es erfinderisch vorgesehen,
ein hydraulisches Drosselelement 12 hydraulisch mit der
Prüffluidrücklaufleitung 11 zu
verbinden. Dieses hydraulische Drosselelement 12 verhindert
einen übermäßigen Abfluss
von Prüffluid
aus dem Messrohr 2. Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung
nicht zwingend, ein hydraulisches Drosselelement 12 mit
der Prüffluidrücklaufleitung 11 zu
verbinden. Vielmehr sollte entsprechend den Erfordernissen der jeweiligen
Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und/oder entsprechend den Erfordernissen des durchzuführenden
erfindungsgemäßen Verfahrens
ein hydraulisches Drosselelement 12 mit der Prüffluidrücklaufleitung 11 verbunden
oder nicht verbunden sein. Außerdem
ist es vorgesehen, einen Filter 16 hydraulisch mit der
Prüffluidrücklauflei tung 11 zu
verbinden. Dieser Filter 16 ist stromaufwärts des
hydraulischen Drosselelementes 12 hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung 11 verbunden.
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In 2 ist
ebenfalls ein elektrisch betätigtes
Ventil 13 dargestellt, welches hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung 11 verbunden
ist. Dieses elektrisch betätigte
Ventil 13 ist stromabwärts
des hydraulischen Drosselelementes 12 mit der Prüfmittelrücklaufleitung 11 hydraulisch
verbunden. Das elektrisch betätigte
Ventil 13 verhindert den Rücklauf von Prüffluid über die
Prüfmittelrücklaufleitung 11 während des
Zeitbereiches, in dem eine Erfassung der dynamischen Druckerhöhung im
Messrohr 2 erfolgen muss.
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Weiterhin
zeigt 2 ein Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil 9,
das hydraulisch mit der Prüfmittelrücklaufleitung 11 verbunden
ist. Das Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil 9 ist
stromabwärts
des hydraulischen Drosselelementes 12 und stromabwärts des
elektrisch betätigten
Ventils 13 hydraulisch mit der Prüfmittelrücklaufleitung 11 verbunden.
Dieses Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil 9 kann sowohl
mechanisch, elektrisch, fluidgesteuert als auch mittels eines Gases
gesteuert ausgelegt sein. Die Hauptfunktion des Druckregel- oder
Druckbegrenzungsventils 9 ist die Regelung des statischen
Prüffluiddruckes
innerhalb des Messrohres 2. Der Steueranschluss 14 des
Druckregel- oder Druckbegrenzungsventils 9 ist stromaufwärts des
hydraulischen Drosselelementes mit der Prüffluidrücklaufleitung 11 hydraulisch
verbunden.
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Entsprechend 2 ist
weiterhin ein Wärmetauscher 15 hydraulisch
mit dem Messrohr 2 verbunden. Der Wärmetauscher 15 ist
stromabwärts
der Kraftstoffeinspritzdüse 1 und
stromabwärts
der hydraulischen Verbindung von Prüffluidrücklaufleitung 11 und
Messrohr 2 hydraulisch mit dem Messrohr 2 verbunden.
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Wie
in 3 gezeigt, ist es ebenfalls möglich, den Wärmetauscher 15 stromabwärts der
Kraftstoffeinspritzdüse 1 und
stromaufwärts
der hydraulischen Verbindung von Prüffluidrücklaufleitung 11 und
Messrohr 2 hydraulisch mit dem Messrohr 2 zu verbinden.
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Weiterhin
ist es möglich,
wie in 3 dargestellt, den Steueranschluss 14 des
Druckregel- oder Druckbegrenzungsventils 9 stromabwärts des
hydraulischen Drosselelementes und stromabwärts des elektrisch betätigten Ventils 13 mit
der Prüffluidrücklaufleitung 11 hydraulisch
zu verbinden.
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Gemäß 4 ist
es ebenfalls möglich,
auf eine hydraulische Verbindung eines elektrisch betätigten Ventils 13 mit
der Prüffluidrücklaufleitung 11 zu
verzichten.
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In 5 ist
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einspritzraten-
und/oder Einspritzmassenbestimmung dargestellt. In Schritt S1 erfolgt
die Einspritzung eines Prüffluidvolumens
in das mit Prüffluid
gefüllte
Messrohr 2 und die Erfassung der dynamischen Druckerhöhung im
Messrohr 2. In Schritt S2 erfolgt das Öffnen des hydraulisch mit der
Prüffluidrücklaufleitung 11 verbundenen,
elektrisch betätigten
Ventils 13 in einem Zeitbereich, in dem keine Erfassung
der dynamischen Druckerhöhung
im Messrohr 2 erfolgen muss. Entsprechend Schritt S3 erfolgt
ein Öffnen
des hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung 11 verbundenen
Druckregel- oder
Druckbegrenzungsventils 9, wobei das eingespritzte Prüffluidvolumen
aus dem mit Prüffluid
gefüllten
Messrohr 2 in einen Sammelbehälter 10 austritt.
In Schritt S4 wird das hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung 11 verbundene,
elektrisch betätigte
Ventil 13 und das hydraulisch mit der Prüffluidrücklaufleitung
verbundene Druckregel- oder Druckbegrenzungsventil 9 geschlossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
kann je nach vorgegebenen Bedingungen B beliebig häufig wiederholt
werden.
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- A
- Einspritzverlaufsindikator
- B
- vorgegebene
Bedingung
- 1
- Kraftstoffeinspritzdüse
- 2
- Messrohr
- 3
- Sensor
zur Erfassung dynamischer Druckerhöhungen
- 4
- Sensor
zur Erfassung der Prüffluidtemperatur
- 5
- Sicherheitsventil
- 6
- justierbare
hydraulische Drosselblende
- 7
- Puffervolumen
- 8
- Systemdrucksensor
- 9
- Druckregel-
oder Druckbegrenzungsventil
- 10
- Sammelbehälter
- 11
- Prüffluidrücklaufleitung
- 12
- hydraulisches
Drosselelement
- 13
- elektrisch
betätigtes
Ventil
- 14
- Steueranschluss
des Druckregelventils
- 15
- Wärmetauscher
- 16
- Filter
- S
- Verfahrensschritt
