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Zur
Versorgung von Brennräumen
selbstzündender
Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte
als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme
kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten,
Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch
Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme (Common-Rail)
ermöglichen
in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last und Drehzahl
der Verbrennungskraftmaschine anzupassen.
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Stand
der Technik
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Bei üblichen
Pumpe-Düse-Systemen
(kurz: PDEs) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine bilden eine Pumpe und ein Einspritzventil
jeweils eine Einheit. An jedem Zylinder wird separat der Einspritzdruck
erzeugt, wobei der Druckaufbau mechanisch mittels einer Kraftstoffpumpe
erfolgt. Dabei wird durch eine zusätzliche Nocke über Rollenkipphebel
und Stößel ein Pumpenkolben
(so genannter Plunger) betätigt,
wodurch ein Druck in einem Pumpenraum (so genannter Plungerraum)
unter dem Pumpenkolben aufgebaut wird. Der Druckaufbau im Pumpenraum
und somit der Einspritzverlauf wird üblicherweise von einem Magnetventil
oder einem Piezo-Aktor zeitlich gesteuert.
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Pumpe-Düse-Injektoren
zeichnen sich insbesondere durch ihre konstruktiv einfache Gestaltung
aus, da der Einspritzdruck unmittelbar durch die Nocken der Nockenwelle
erzeugt wird und beispielsweise keine zusätzliche Hochdruckpumpe erforderlich
ist. Weiterhin lässt
sich mit Pumpe-Düse-Injektoren
ein vergleichsweise hoher Einspritzdruck erzielen, welcher zumeist
den mit Common-Rail-Systemen erzeugbaren Druck übersteigt. Dadurch wird eine
feine Vernebelung des durch die Einspritzventile eingebrachten Kraftstoffs
im Brennraum ermöglicht, was
insbesondere eine Rußbildung
verringert. Weiterhin haben PDEs auch einen positiven Einfluss auf den
Wirkungsgrad und das Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine.
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Nachteilig
an üblichen
PDEs ist jedoch, dass der Einspritzzeitpunkt von der Nockenstellung
abhängig
ist. Eine Einspritzung kann nur ausgelöst werden, wenn ein Nocken
die Kraftstoffpumpe antreibt. Dementsprechend eingeschränkt sind
bei typischen PDEs die Möglichkeiten,
den Einspritzdruck und den Einspritzzeitpunkt sowie die Einspritzmenge
zu verändern.
Weiterhin öffnet
bei üblichen
PDEs die Düsennadel
bei Druckaufbau im Düsenraum
gegen die Kraft einer Schließfeder.
Das Schließen
der Düse
nur über
die Federkraft wirkt sich jedoch in der Praxis nachteilig auf den
Einspritzverlauf und somit auf die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemischs
im Brennraum aus. Zudem ist die Schließfeder Alterungsprozessen unterworfen,
so dass sich die Einspritzcharakteristik im Laufe der Lebensdauer
der Verbrennungskraftmaschine ändern
kann.
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Aus
dem Stand der Technik sind Ansätze
bekannt, die Gleichmäßigkeit
und Wiederholbarkeit der Einspritzvorgänge von PDEs zu verbessern.
So zeigen
DE 199 39
523 A1 und
KR 2001059382
A jeweils Einspritzsysteme, bei denen eine Pumpe-Düse-Einheit
durch Einsatz eines Piezo-gesteuerten Ventils verbessert wird. Dabei
wird jeweils der Druckaufbau im Pumpenraum durch das Piezo-gesteuerte
Ventil gesteuert, wobei die
DE 199 39 523 A1 zusätzlich vorschlägt, das
Ventil über
einen hydraulischen und einem mechanischen Übersetzer mit dem Ventil zu koppeln.
Derartige Systeme sind jedoch vergleichsweise aufwändig und
ermöglichen
nach wie nur eine geringfügige
Beeinflussung des Einspritzzeitpunkts.
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Neben
PDEs sind aus dem Stand der Technik Common-Rail-Injektoren mit Piezo-Aktoren
bekannt, bei welchen eine Düsennadel über den
Druck in einem oder mehreren Steuerräumen gesteuert wird. Der Druck
in diesem beziehungsweise diesen Steuerräumen wird über den Piezo-Aktor und gegebenenfalls
ein oder mehrere Steuerventile gesteuert. Bei derartigen Systemen
wird also die Düsennadel indirekt
durch den Piezo-Aktor gesteuert.
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Neben
diesen indirekt gesteuerten Common-Rail-Injektoren sind mittlerweile
aus dem Stand der Technik auch Systeme bekannt, bei denen eine Düsennadel
direkt von einem Piezo-Aktor gesteuert wird. Derartige Injektoren
weisen eine große Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeit
sowie zumeist einen vergleichsweise einfachen Injektoraufbau auf. Weiterhin
lässt sich
der Öffnungsvorgang
und somit der Einspritzverlauf durch entsprechende Ansteuerung der
Piezo-Aktoren sehr präzise
steuern. Derartige direktgesteuerte Injektoren benötigen jedoch
lange Piezo-Aktoren, um den notwendigen Düsennadelhub für einen
Einspritzvorgang zu erreichen.
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Entsprechend
der An der Ansteuerung unterscheidet man zwischen inverser und nichtinverser Nadelsteuerung:
Bei einer nicht-inversen Ansteuerung wird der Piezo-Aktor zum Öffnen der
Düsennadel
bestromt, so dass eine Längenausdehnung
des Piezo-Aktors entsteht. Dadurch wird in einem Kopplerraum eine
Druckerhöhung
ausgelöst,
welche die Nadelöffnung
einleitet. Bei einer inversen Ansteuerung (siehe z. B.
EP 1 174 615 A2 ) ist der
Piezo-Aktor im geschlossenen Zustand der Düsennadel bestromt. Zum Öffnen der
Düsennadel
wird der Aktor in einen stromlosen Zustand geschaltet, so dass sich die
Länge des
Piezo-Aktors reduziert, wodurch in einem Kopplerraum eine Druckminderung
ausgelöst wird,
die zum Öffnen
der Düsennadel
führt.
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Auch
Common-Rail-Injektoren weisen jedoch in der Praxis verschiedene
Nachteile auf. So benötigen
derartige Systeme zumeist eine separate Hochdruckpumpe, um den Druck
im Druckspeicher zu erzeigen und aufrechtzuerhalten. Insgesamt ist der
zur Verfügung
stehende Druck in der Regel beschränkt, was sich nachteilig auf
Rußbildung
und Wirkungsgrad auswirken kann. Die beschriebenen direktgesteuerten
Ventile weisen zudem den Nachteil auf, dass sie in der Regel sehr
lange Piezo-Aktoren benötigen,
um den erforderlichen Hub der Düsennadeln
zu gewährleisten.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
wird daher ein Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektor
vorgeschlagen, welcher die Nachteile der aus dem Stand der Technik
bekannten Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektoren
zumindest weitgehend vermeidet. Ein Grundgedanke der vorliegenden
Erfindung besteht darin, die bekannte Pumpe-Düse-Technik mit ihren oben beschriebenen
Vorteilen durch Einsatz mindestens eines Aktors (wobei hier sinngemäß ein elektromechanischer
Aktor gemeint ist) zu verbessern.
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Im
Gegensatz zu den oben beschriebenen, aus
DE 199 39 523 A1 und
KR 2001 059 382 A bekannten
Pumpe-Düse-Systemen
wird jedoch erfindungsgemäß eine Direktsteuerung
eines Einspritzventilgliedes des Kraftstoffinjektors durch den mindestens
einen Aktor vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Lösung kombiniert somit die Vorteile
der Pumpe-Düse-Technik mit den Vorteilen
einer Direktsteuerung des Einspritzventilgliedes (siehe oben).
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Der
erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor zeichnet
sich somit durch hohe Einspritzdrücke und dementsprechend geringe
Rußbildung
und hohen Wirkungsgrad aus. Gleichzeitig lassen sich jedoch der
Einspritzverlauf und die Einspritzmenge durch die direkte Steuerung
des Einspritzventilgliedes sehr präzise einstellen. Insbesondere
kann auf eine Schließfeder,
wie sie in üblichen
Pumpe-Düse-Einheiten
vorgesehen ist und welche mit den oben beschriebenen Nachteilen
behaftet ist, verzichtet werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung wird der mindestens eine Aktor
in zweifacher Weise genutzt: Neben der Nutzung für die direkte Ansteuerung des Einspritzventilgliedes
kann dieser gleichzeitig auch genutzt werden, um mindestens ein
Befüllungsventil zum
Befüllen
eines Pumpenraums der mindestens einen Kraftstoffpumpe des Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektors
anzusteuern. Vorteilhafterweise erfolgt diese Ansteuerung über mindestens
einen ersten Übersetzer,
insbesondere über
mindestens einen ersten hydraulischen Übersetzer, welcher mit dem
mindestens einen Befüllungsventil
gekoppelt ist. Auf diese Weise kann insbesondere eine Hubübersetzung
erfolgen, so dass der Hub des mindestens einen Befüllungsventils
angepasst werden kann auf die Dimension und Charakteristika der
zur Verfügung
stehenden Aktoren, insbesondere der Piezo-Aktoren.
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Das
Einspritzventilglied des Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektors
kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein und dient dazu, mindestens
eine Einspritzöffnung
in einem Injektorkörper
des Kraftstoffinjektors freizugeben oder zu verschließen. Beispielsweise
kann das Einspritzventilglied als Düsennadel ausgestaltet sein.
Es sind jedoch auch andere Bauformen von Einspritzventilgliedern
denkbar, beispielsweise nicht-nadelförmige Einspritzventilglieder. Als
besonders vorteilhaft, insbesondere aufgrund der vergleichsweise
einfachen konstruktiven Ausgestaltung, hat es sich erwiesen, wenn
das Einspritzventilglied invers durch den mindestens einen Aktor
angesteuert wird. Auf diese Weise kann auf eine Hubumkehr verzichtet
werden.
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Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Einspritzventilglied über mindestens
einen zweiten Übersetzer,
insbesondere mindestens einen zweiten hydraulischen Übersetzer,
mit dem mindestens einen Aktor gekoppelt ist. Auf diese Weise ist, analog
zum Befüllungsventil,
der Hub des Einspritzventilglieds nicht notwendig in einem Verhältnis von 1:1
an den Hub, beispielsweise die Längenausdehnung,
des mindestens einen Aktors, insbesondere des Piezo-Aktors, gekoppelt.
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Gleichzeitig
wirkt der optionale mindestens eine zweite Übersetzer vorteilhafterweise
auch zum Entkoppeln von Störungen,
so dass beispielsweise Vibrationen vom mindestens einen Aktor nicht
ungedämpft
auf das Einspritzventilglied übertragen
werden und umgekehrt. Dabei hat es sich aufgrund der zur Verfügung stehenden
Aktoren und der typischen Baugrößen als
vorteilhaft erwiesen, wenn der mindestens eine zweite Übersetzer
ein Übersetzungsverhältnis zwischen
1:3 und 1:1, vorzugsweise von circa 1:2, aufweist. Dies bedeutet,
dass ein Hub einer Eingangsseite des mindestens einen zweiten Übersetzers
vorteilhafterweise auf circa das Doppelte an Hub auf Seiten des
Einspritzventilglieds übersetzt wird.
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Wenn
mindestens ein erster Übersetzer
und mindestens ein zweiter Übersetzer
vorgesehen sind, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese Übersetzer
in Reihe zu schalten. Dies vereinfacht die Konstruktion des Kraftstoffinjektors
und führt
zu einer Bauraumersparnis. Beispielsweise können der mindestens eine erste Übersetzer
und der mindestens eine zweite Übersetzer
durch einen Steuerkolben miteinander verbunden sein, wobei jedoch
auch weitere Elemente zur Verbindung der Übersetzer möglich sind.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
Pumpe-Düse-Injektor
mit direkter, inverser Steuerung eines Einspritzventilglieds durch
einen Piezo-Aktor.
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Ausführungsbeispiele
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In
der einzigen Figur (1) ist ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektors 110 in
Schnittansicht dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 110 weist
ein Injektorgehäuse 112 auf,
an welches sich, durch eine Überwurfmutter 114 gehalten,
eine Dichtplatte 116 und ein Düsengehäuse 118 anschließen. In
dem Düsengehäuse 118 ist
ein Einspritzventilglied 120 in Form einer Düsennadel
in Richtung einer Achse 122 bewegbar gelagert. Über einen
Dichtsitz 124 gibt das Einspritzventilglied 120 bei
einer Aufwärtsbewegung
eine oder mehrere Einspritzöffnungen 126 frei,
so dass ein Einspritzvorgang initiiert wird.
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Der
Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektor 110 wird über eine
Kraftstoffpumpe 128, welche in das Injektorgehäuse 112 integriert
ist, angetrieben. Über
einen Kraftstoffzulauf 130 gelangt Kraftstoff aus einem Kraftstofftank
(nicht dargestellt) über
ein Befüllungsventil 132 in
einen Pumpenraum 134 (auch Plungerraum genannt), in welchem
er über
einen Pumpenkolben 136 (Plunger) mit Druck beaufschlagt
werden kann. Der Pumpenkolben 136 ist seinerseits über einen
Pumpenantrieb 138 von der Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine
angetrieben (nicht dargestellt). Der Pumpenraum 134 ist über eine
Verbindungsbohrung 140 mit einem Ringraum 142 des
Befüllungsventils 132 verbunden.
Vom Pumpenraum 134 kann druckbeaufschlagter Kraftstoff über eine weitere
Verbindungsbohrung 144 und Bohrungen 146 in der
Dichtplatte 116 zum Einspritzventilglied 120 gelangen.
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Parallel
zur Kraftstoffpumpe 128 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ein
elektromechanischer Aktor 148, in diesem Fall ein Piezo-Aktor,
geschaltet. Der Aktor 148 ist kraftstoffdicht ausgestaltet und
wird über
elektrische Anschlüsse 150 angesteuert.
Der Piezo-Aktor 148 ist
durch eine Feder 152, beispielsweise eine Rohrfeder, vorgespannt
und wird invers betrieben. Dies bedeutet, dass im geschlossenen
Zustand des Kraftstoffinjektors 110 der Aktor 148 bestromt
ist. An den Aktor 148 grenzt ein Übersetzerkolben 154 an,
welcher mit der Feder 152 verbunden ist. Wird der Aktor 148 entlastet,
so zieht sich dieser zusammen, und der Übersetzerkolben 154 wird
in 1 nach oben gezogen.
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Über einen
ersten Übersetzer 156 ist
der Übersetzerkolben 154 mit
einem Steuerkolben 158 gekoppelt. Dabei erfolgt eine Hubübersetzung
zwischen dem Hub des Übersetzerkolbens 154 und
dem Hub des Steuerkolbens 158, welche sich aus dem Verhältnis der
Durchmesser d1 und d2 dieser
Kolben berechnen lässt.
Vorzugsweise weist der Übersetzer 156 ein
kleines Übersetzungsverhältnis d2:d1 auf, vorzugsweise
im Bereich von 1:1 bis maximal ca. 1:2.
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Der
Steuerkolben 158 dient in diesem Ausführungsbeispiel zwei Funktionen:
Zum einen dient er der Funktion der direkten Nadelsteuerung, indem über diesen
Steuerkolben 158 der Hub des Aktors 148 auf das
Einspritzventilglied 120 übertragen wird. Weiterhin bildet
dieser Steuerkolben 158 jedoch auch einen Bestandteil des
Befüllungsventils 132 und
bewirkt dessen Steuerung durch den Aktor 148. Zu diesem
Zweck weist der Steuerkolben 158 eine Ringnut 160 auf.
Unterhalb der Ringnut ist der Steuerkolben 158 durch eine
federgelagerte Hülse 162 in
seinem Durchmesser erweitert, so dass der Steuerkolben 158 eine
Schulter 164 aufweist. Bei einer Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens 158 wird
diese Schulter 164 in einen Sitz 166 gepresst,
so dass der durch die Ringnut 160 gebildete Raum und der
Ringraum 142 voneinander getrennt sind. Bei einer Abwärtsbewegung
des Steuerkolbens 158 hingegen sind die beiden Räume fluidisch
verbunden, so dass Kraftstoff vom Kraftstoffzulauf 130 durch
die Verbindungsbohrung 140 in den Pumpenraum 134 gelangen
kann.
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Zum
Zweck der direkten Steuerung des Einspritzventilglieds 120 durch
den Aktor 148 weist der Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektor 110 weiterhin
einen zweiten Übersetzer 167 auf.
Dieser zweite Übersetzer 167,
bei welchem es sich in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls um
einen hydraulischen Übersetzer
handelt, ist mit dem ersten Übersetzer 156 in
Rei he geschaltet, wobei beide Übersetzer 156, 167 durch
den Steuerkolben 158 miteinander verbunden sind.
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Der
zweite Übersetzer 167 weist
zwei Steuerräume 168, 170 auf.
Der erste Steuerraum 168 wird durch den Steuerkolben 158,
die Dichtplatte 116 sowie eine Dichthülse 172 begrenzt,
welche durch eine Feder 174 gegen die Dichtplatte 116 gedrückt wird und
welche auf Seiten der Dichthülse 172 eine
Beißkante
aufweist. Der zweite Steuerraum 170 wird begrenzt durch
das Einspritzventilglied 120, die Dichtplatte 116 sowie
eine weitere Dichthülse 176,
welche analog zur ersten Dichthülse 172 ausgestaltet
ist und welche durch eine Feder 178 gegen die Dichtplatte 116 gepresst
wird. Beide Steuerräume 168, 170 sind durch
einen Verbindungskanal 180 miteinander hydraulisch verbunden
und sind mit Hydraulikfluid, beispielsweise Kraftstoff, gefüllt. Das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Hub des Steuerkolbens 158 und dem Hub des Einspritzventilglieds 120 wird
bestimmt durch den Durchmesser d3 des Steuerkolbens 158 im
Bereich des Steuerraums 168 und den Durchmesser d4 des Einspritzventilglieds 120 im
Bereich des zweiten Steuerraums 170. Vorzugsweise liegt das
Hubübersetzungsverhältnis zwischen
dem Hub des Steuerkolbens 158 und dem Hub des Einspritzventilglieds 120 bei
näherungsweise
1:2.
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Zum
Starten eines Einspritzvorgangs wird, wie oben beschrieben, der
ursprünglich
bestromte Aktor 148 entlastet, so dass sich der Übersetzerkolben 154 nach
oben bewegt. Diese Aufwärtsbewegung
erfolgt so lange, bis die Schulter 164 in den Sitz 166 fährt. Dadurch
wird der Ringraum 142 vom Kraftstoffzulauf 130 getrennt,
so dass das Befüllungsventil 132 geschlossen
ist. Im Pumpenraum 134 wird der dort befindliche Kraftstoff
durch die Kraftstoffpumpe 128, also durch eine Abwärtsbewegung
des Pumpenkolbens 136, druckbeaufschlagt. Über die
Verbindungsbohrung 144, die Bohrungen 146 und
Abflachungen 182 im Einspritzventilglied 120 kann
dieser druckbeaufschlagte Kraftstoff zum Dichtsitz 124 gelangen.
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Gleichzeitig
wird durch die Aufwärtsbewegung
des Steuerkolbens 158 der Druck im ersten Steuerraum 168 erniedrigt,
wodurch, infolge eines Druckausgleichs über den Verbindungskanal 180, auch
der Druck im zweiten Steuerraum 170 sinkt und das Einspritzventilglied 120 aktiv
nach oben gezogen wird. Dadurch werden die Einspritzöffnungen 126 freigegeben,
und Kraftstoff wird in den Brennraum eingespritzt.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs und somit zum Schließen des
Kraftstoffinjektors 110 wird der Aktor 148 anschließend wieder
bestromt. Dadurch dehnt sich der Aktor 148 aus, wodurch
der Übersetzerkolben 154 und
somit, gekoppelt durch den ersten Übersetzer 156, auch
der Steuerkolben 158 nach unten gedrückt wird. Dabei wird das Befüllungsventil 132 geöffnet, wodurch
der Pumpenraum 134 druckentlastet wird. Gleichzeitig steigt
der Druck in den Steuerräumen 168, 170,
so dass das Einspritzventilglied 120 in seinen Dichtsitz 124 gepresst wird.