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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem Drucksensor.
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Stand der Technik
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Drucksensoren
in Kraftstoff-Einspritzsystemen zur Messung des Kraftstoffdrucks
sind im Stand der Technik bekannt. Solche bekannten Drucksensoren
sind meist in einem zentralen Druckspeicher des Einspritzsystems
angeordnet und dort mit dem hohen Druck des Kraftstoffs im Einspritzsystem
beaufschlagt. Der Kraftstoffdruck kann in modernen Common-Rail-Systemen
einige Tausend Bar betragen. Die Drucksensoren müssen daher gegenüber dem hohen
Druck des Kraftstoffs im Einspritzsystem abgedichtet sein und stellen
so ein aufwändiges
und kostenintensives Bauteil dar. Zudem ist es in Systemen ohne
zentralen Druckspeicher problematisch, eine geeignete Stelle zum
Anbringen des Drucksensors zu finden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zum
Messen des Kraftstoffdrucks in einem Kraftstoff-Einspritzsystem bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kraftstoffinjektor nach dem unabhängigen Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor
hat einen Hochdruckbereich, der im Betrieb wenigstens zeitweise
unter hohem Einspritzdruck stehenden Kraftstoff enthält. Ein
erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor
hat auch einen Niederdruckbe reich, der im Betrieb keinen Kraftstoff
enthält
und/oder mit einem Ablauf verbunden ist, so dass sich im Niederdruckbereich
kein hoher Kraftstoffdruck aufbaut und ein geringerer Druck als
im Hochdruckbereich herrscht. Im Niederdruckbereich befindet sich
ein Sensor und ein Übertragungsmittel
ist so angeordnet, dass es wenigstens zeitweise eine Kraft, die
dem Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbereich entspricht, auf den Sensor
ausübt.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit einer
Kraftstoffpumpe, wenigstens einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und
einem Regelventil. Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
mit einem integrierten Drucksensor kann auf einen zentralen Druckspeicher,
in dem der Drucksensor angebracht ist, verzichtet werden. Ein solches
Einspritzsystem ist mit wenigen Bauteilen und somit kostengünstig realisierbar.
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Dadurch,
dass der Drucksensor im Kraftstoffinjektor selbst angeordnet ist,
kann der Druck auch in Systemen, die keinen zentralen Druckspeicher aufweisen,
problemlos gemessen werden. Da der Drucksensor im Niederdruckbereich
des Kraftstoffinjektors angeordnet ist, muss der Sensor keine spezielle
Hochdruckabdichtung aufweisen. Es können daher einfache und kostengünstige Sensoren
eingesetzt werden.
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In
einer Ausführungsform
ist die von dem Übertragungsmittel
auf den Sensor ausgeübte
Kraft proportional zum Druck im Hochdruckbereich. Dadurch ist die
Auswertung der von dem Sensor gemessenen Werte zur Ermittlung des
im System herrschenden Kraftstoffdrucks besonders einfach.
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In
einer Ausführungsform
hat der Kraftstoffinjektor ein Steuerventil und der Sensor ist im
Niederdruckbereich des Steuerventils angeordnet. Im Niederdruckbereich
eines solchen Steuerventils ist der Sensor besonders günstig anbringbar.
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In
einer Ausführungsform
hat der Kraftstoffinjektor ein druckausgeglichenes Steuerventil.
Ein Kraftstoffinjektor mit einem druckausgeglichenen Steuerventil
kann mit geringen Kräften
geöffnet
und geschlossen werden und ermöglicht
so besonders kurze Schaltzeiten. Ein solches Steuerventil kann durch
einen kleinen und kostengünstigen
Aktor betätigt
werden.
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In
einer Ausführungsform
hat das Steuerventil eine hülsenförmigen Ventilnadel
und das Übertragungsmittel
ist als beweglicher Druckstift innerhalb der Ventilnadel ausgebildet.
Ein solches Ventil mit einem innerhalb einer hülsenförmigen Ventilnadel angeordneten
Druckstift ermöglicht
eine besonders einfache Übertragung
des Drucks aus dem Hochdruckbereich auf einen im Niederdruckbereich
angeordneten Sensor und ist einfach und kostengünstig herstellbar.
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In
einer Ausführungsform
ist das Steuerventil durch einen elektromagnetischen Aktor betätigbar ist.
Elektromagnetische Aktoren habe sich beim Einsatz in Kraftstoffinjektoren
bewährt
und sind kostengünstig
herstellbar.
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In
einer Ausführungsform
ist das Steuerventil durch einen piezoelektrischen Aktor betätigbar.
Piezoelektrischen Aktoren ermöglichen
besonders kurze Schaltzeiten.
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In
einer Ausführungsform
ist zwischen dem Druckstift und dem Sensor ein Ausgleichselement angeordnet.
Ein solches Ausgleichselement ermöglicht es, Winkeltoleranzen
zwischen dem Sensor und dem Druckstift auszugleichen und so die
Genauigkeit der Messung zu verbessern.
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In
einer Ausführungsform
weist das Kraftstoff-Einspritzsystem wenigstens zwei Kraftstoffinjektoren
auf, wobei die Kraftstoffpumpe, die Kraftstoffinjektoren und das
Regelventil derart in Reihe miteinander verbunden sind, dass der
Ablauf eines Kraftstoffinjektors jeweils mit dem Zulauf eines folgenden Kraftstoffinjektors
verbunden ist. Durch eine solche Reihenanordnung lässt sich
die Gesamtlänge
der Druckleitungen des Kraftstoffeinspritzsystems minimieren. Ein
solches Einspritzsystem kann daher besonders kostengünstig hergestellt
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, und
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2 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoff-Einspritzsystems mit wenigstens
einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1.
Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen im unteren Bereich
der 1 dargestellten zylindrischen Düsenkörper 2 und eine
oberhalb des Düsenkörpers 2 angeordnete
zylindrische Überwurfmutter 4,
die mit dem Düsenkörper 2 fest
verschraubt ist. Der Injektor 1 ist an seinem in der 1 oben
dargestellten Ende durch eine Verschlussplatte 41, die
hydraulisch dicht mit der Überwurfmutter 4 verschraubt
ist, verschlossen.
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Im
Inneren des Düsenkörpers 2 ist
ein Hochdruckraum 32 ausgebildet, der durch eine externe Kraftstoffpumpe 28 über einen
Kraftstoffzulauf 30 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff
befüllbar
ist.
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An
dem in der 1 unten dargestellten Ende des
Düsenkörpers 2 sind
Einspritzöffnungen 3 ausgebildet,
durch die Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 32 in einen
nicht gezeigten Brennraum, der das untere Ende des Düsenkörpers 2 umgibt,
einströmen kann.
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Das
obere, den Einspritzöffnungen 3 gegenüberliegende
Ende des Hochdruckraums 32 wird von einer Ventilplatte 24 begrenzt,
die durch die Überwurfmutter 4 fest
mit dem Düsenkörper 2 verspannt ist
und den Hochdruckraum 32 hydraulisch dicht verschließt.
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Auf
der dem Hochdruckraum 32 zugewandten Seite der Ventilplatte 24 ist
ein zylindrischer Vorsprung ausgebildet, der einen Steuerraum 18 umschließt. Auf
der von der Ventilplatte 24 abgewandte Seite 17 des
Vorsprungs ist eine Düsennadelöffnung ausgebildet.
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Entlang
der Längsachse
des Hochdruckraums 32 ist eine Düsennadel 6 mit einem
oberen, der Ventilplatte 24 zugewandten Ende 6a und
einem unteren, den Einspritzöffnungen 3 zugewandten Ende 6b angeordnet.
Die Düsennadel 6 kann
aus einem Stück
bestehen oder aus mehreren Teilen, die miteinander wirkverbunden
sind, aufgebaut sein.
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Das
obere Ende 6a der Düsennadel 6 ist durch
die Düsennadelöffnung,
die in der von der Ventilplatte 24 abgewandten Seite 17 des
Steuerraums 18 ausgebil det ist, derart in den Steuerraum 18 eingeführt, dass
das Volumen des Steuerraums 18 durch Bewegen der Düsennadel 6 parallel
zur Längsachse
variierbar ist.
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Unterhalb
des Steuerraums 18 ist am Umfang der Düsennadel 6 ein Absatz 14 ausgebildet. Eine
Düsennadelfeder 16 ist
so zwischen dem Absatz 14 und der von der Ventilplatte 24 abgewandten Seite 17 des
Steuerraums 18 angeordnet, dass sie die Düsennadel 6 elastisch
an dem Vorsprung der Ventilplatte 24 abstützt. Dabei
wird das untere Ende 6b der Düsennadel 6 von der
Düsennadelfeder 16 so gegen
die Einspritzöffnungen 3 im
unteren Bereich des Düsenkörpers 2 gedrückt, dass
das untere Ende 6b der Düsennadel 6 die Einspritzöffnungen 3 verschließt und kein
Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 32 durch die Einspritzöffnungen 3 in
den Brennraum strömt.
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Oberhalb
des unteren Bereichs 6b der Düsennadel 6 ist eine
Druckstufe 7 ausgebildet. Im Betrieb ist der Hochdruckraum 32 mit
unter hohem Druck stehender Kraftstoff gefüllt und der Kraftstoff übt über die
Druckstufe 7 eine nach oben gerichtete Kraft auf die Düsennadel 6 aus.
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Eine
in einer Seitenwand des Steuerraums 18 ausgebildete Zulaufdrossel 20 verbindet
den Steuerraum 18 hydraulisch mit dem Hochdruckraum 32,
so dass im hydraulischen Gleichgewicht im Steuerraum 18 der
gleich Druck wie im Hochdruckraum 32 herrscht.
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Die
von der Düsennadel 6 abgewandten
Seite des Steuerraums 18 wird von der Ventilplatte 24 begrenzt.
In der Ventilplatte 24 ist im Bereich des Steuerraums 18 eine
Ablaufbohrung 21 ausgebildet, die den Steuerraum 18 mit
einem zylindrisch ausgebildeten Ventilraum 19, der oberhalb
der dem Steuerraum 18 und dem Hochdruckraum 32 abgewandten Seite
der Ventilplatte 24 ausgebildet ist, hydraulisch verbindet.
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In
der Ablaufbohrung 21 ist eine Ablaufdrossel 22 ausgebildet.
Durch die Dimensionierung der Ablaufdrossel 22 ist die
Strömung
durch die Ablaufbohrung regulierbar.
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In
einer Wand 35, die den Ventilraums 19 umschließt, sind
zwei Ablaufbohrungen 36 ausgebildet, die den Ventilraum 19 hydraulisch
mit einem oberhalb der Steuerplatte 24 in der Überwurfmutter 4 ausgebildeten
Niederdruckraum 36 verbinden. Der Niederdruckraum 36 ist
hydraulisch mit einem Kraftstoffablauf 40 verbunden, durch
den Kraftstoff aus dem Injektor 1 abläuft, so dass sich im Niederdruckraum 36 kein
hoher Kraftstoffdruck aufbaut.
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An
dem Ende der Ablaufbohrung 21, das dem Ventilraum 19 zugewandt
ist, ist an der Steuerplatte 24 ein Dichtsitz 34 ausgebildet.
In dem Ventilraum 19 ist eine Ventilnadel 8 angeordnet,
die in Längsrichtung
des Injektors 1 zwischen einer unteren Verschlussposition
und einer oberen, geöffneten
Position beweglich ist. Dabei liegt die Ventilnadel 8 auf der
Ventilplatte 24 auf und verschließt den Dichtsitz 34,
wenn sie in der unteren Verschlussposition ist. Wenn sie sich in
einer oberen, geöffneten
Position befindet, ist die Ventilnadel 8 von der Ventilplatte 24 abgehoben
und gibt den Dichtsitz 34 frei.
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Wenn
die Ventilnadel 8 in einer oberen, geöffneten Position ist und den
Dichtsitz 34 freigibt, steht der Steuerraum 18 über die
Ablaufbohrung 21 und die Ablaufdrossel 22 in hydraulischer
Verbindung mit dem Ventilraum 19. Wenn die Ventilnadel 8 in
der unteren Verschlussposition ist und den Dichtsitz 34 verschließt, ist
die Verbindung zwischen dem Steuerraum 18 und dem Ventilraum 19 unterbrochen.
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Die
Ventilnadel 6 erstreckt sich durch eine in einer oberen,
der Ventilplatte 24 abgewandten Begrenzung 27 des
Ventilraums 19 ausgebildete Öffnung in den Niederdruckraum 38 und
weist an ihrem oberen, von der Ventilplatte 24 abgewandten
Ende im Niederdruckraum 38 eine Ankerplatte 25 auf,
die sich rechtwinklig zur Längsrichtung
des Injektors 1 in dem Niederdruckraum 38 erstreckt.
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Zwischen
der Ankerplatte 25 und der Verschlussplatte 41,
die den Injektor 1 an seinem oberen Ende verschließt, ist
eine Ankerfeder 36 angeordnet. Die Ankerfeder 36 stützt die
Ankerplatte 25 elastisch so an der Verschlussplatte 41 ab,
dass die Ventilnadel 8 durch die Kraft der Ankerfeder 26 gegen
den an der Ventilplatte 24 ausgebildeten Dichtsitz 34 in
die untere Verschlussposition gedrückt wird und den Dichtsitz 34 hydraulisch
dicht verschließt.
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Zwischen
der Ankerplatte 25 und der Verschlussplatte 41 befindet
sich innerhalb der Überwurfmutter 4 ein
Elektromagnet 10, der derart ausgebildet ist, dass die
Ankerplatte 25 durch Aktivieren des Elektromagneten 10 gegen
die Kraft der Ankerfeder 26 nach oben in Richtung auf die
Verschlussplatte 24 in eine obere, geöffnete Position bewegt wird
und dabei die Ventilnadel 8 aus dem Dichtsitz 34 hebt.
Somit wird der Dichtsitz 34 durch Aktivieren des Elektromagneten 10 geöffnet. Kraftstoff
strömt
aus dem Steuerraum 18 durch die Ablaufbohrung 21 und die
Ablaufdrossel 22 in den Ventilraum 19 und aus dem
Ventilraum 19 durch die Ablauföffnungen 36 weiter
in den Niederdruckraum 38 und in den Kraftstoffablauf 40.
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Durch
das beschriebene Ablaufen von Kraftstoff aus dem Steuerraum 18 verringert
sich der Kraftstoffdruck im Steuerraum 18 und reicht nicht mehr
aus, um die Düsennadel 6 gegen
die Kraft, die der unter hohem Druck stehende Kraftstoff im Hochdruckraum 32 auf
die am unteren Ende 6b der Düsennadel 6 ausgebildete
Druckstufe 7 ausübt,
in der unteren Verschlussposition zu halten. Die Düsennadel 6 bewegt
sich in Richtung auf die Ventilplatte 24 nach oben und
gibt die Einspritzöffnungen 3 frei. Kraftstoff
strömt
aus dem Hochdruckraum 32 durch die Einspritzöffnungen 3 in
den nicht gezeigten Brennraum, der das untere Ende des Düsenkörpers 2 umgibt.
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Zur
Beendigung des Einspritzvorgangs wird der Elektromagnet 10 deaktiviert.
Der Anker 2 wird von der Ankerfeder 26 in die
untere, geschlossene Position gedrückt, in der die Ventilnadel 8 den
Dichtsitz 34 verschließt.
Bei verschlossenen Dichtsitz 34 kann kein Kraftstoff, der
durch die Zulaufdrossel 20 aus dem Hochdruckraum 32 in
den Steuerraum 18 einströmt, aus dem Steuerraum 18 in
den Ventilraum 19 ablaufen und der Druck im Steuerraum 18 erhöht sich.
Der erhöhte
Druck im Steuerraum 18 übt
eine nach unten gerichtete Kraft auf die Düsennadel 6 aus, welche
die Düsennadel 6 gemeinsam
mit der Kraft der Düsennadelfeder 16 in
die untere Verschlussposition drückt.
Das untere Ende 6b der Düsennadel 6 verschließt die Einspritzöffnungen 3 und kein
weiterer Kraftstoff strömt
aus dem Hochdruckraum durch die Einspritzöffnungen 3 in den
Brennraum.
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In
der Ventilnadel 8 ist entlang der Längsachse des Injektors 1 eine
zentralen Ventilnadelbohrung 23 ausgebildet. In die Ventilnadelbohrung 23 ist hochdruckdicht
ein Druckstift 9 eingepasst, der entlang der Längsachse
des Injektors 1 pa rallel zur Bewegungsrichtung der Düsennadel 6 und
der Ventilnadel 8 innerhalb der Ventilnadelbohrung 23 beweglich ist.
Der Druckstift 9 erstreckt sich oberhalb der Ventilnadel 8 mittig
durch eine in der Ankerplatte 25 ausgebildete Bohrung,
die Ankerfeder 26 und den Elektromagneten 10 und
steht oberhalb des Elektromagneten 10 derart in Wirkverbindung
mit einem an der Verschlussplatte angeordneten Sensor 12,
dass eine auf die untere, der Ablaufbohrung 32 in der Ventilplatte 24 zugewandte
Stirnseite des Druckstift 9 wirkende Kraft auf den Sensor 12 übertragen
wird.
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In
dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist zwischen der oberen, dem Sensor 12 zugewandten Stirnseite
des Druckstiftes 9 und der dem Druckstift 9 zugewandten
Fläche
des Sensors 12 ein Ausgleichselement 11 vorgesehen.
Das Ausgleichselement 11 ermöglicht es, Winkeltoleranzen
zwischen dem Sensor 12 und dem Druckstift 9 auszugleichen
und die Genauigkeit der durch den Sensor 12 vorgenommenen
Messungen zu erhöhen.
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In
der unteren, geschlossenen Position der Ventilnadel 8,
d. h., wenn die Ventilnadel 8 auf dem an der Ventilplatte 24 ausgebildeten
Dichtsitz 34 aufliegt und die Verbindung zwischen dem Steuerraum 18 und
dem Ventilraum 19 verschließt, wirkt der in dem Steuerraum 18 herrschende
hohe Kraftstoffdruck durch die Ablaufbohrung 21 auf die
der Ablaufbohrung 21 zugewandte Stirnseite des Druckstifts 9. Der
Druckstift 9 überträgt eine
Kraft, die proportional zum Kraftstoffdruck im Steuerraum 18 ist,
auf den Sensor 12.
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Da
der Steuerraum 18 über
die Zulaufdrossel 20 in hydraulischer Verbindung mit dem
Hochdruckraum 32 steht, ist der Kraftstoffdruck im Steuerraum 18 im
hydraulischen Gleichgewicht gleich dem Kraftstoffdruck im Hochdruckraum 32.
Die von dem Druckstift 9 auf den Sensor 12 ausgeübte Kraft
ist daher proportional zum Kraftstoffdruck im Hochdruckraum 32.
Der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum 32 ist aus dem von
dem Sensor 12 gemessenen Wert einfach bestimmbar.
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Dadurch,
dass der Sensor 12 im Niederdruckbereich des Injektors 1 angeordnet
ist, ist es nicht notwendig, dass der Sensor 12 als hochdruckfester
Sensor ausgebildet ist. Es kann vielmehr ein einfach aufgebauter
und kostengünstig
herstellbarer Sensor 12 verwendet werden.
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Während des
Einspritzvorgangs, d. h., wenn die Ventilnadel 8 durch
Aktivieren des Elektromagneten 10 in eine obere, geöffnete Position
bewegt worden ist, so dass der Dichtsitz 34 geöffnet ist,
steht die Ablaufbohrung 21 über den Ventilraum 19 und
die Öffnungen 36 in
hydraulischer Verbindung mit dem Niederdruckraum 38. In
diesem Zustand liegt kein Hochdruck an der unteren Stirnseite des
Druckstifts 9 an, so dass in diesem Zustand der Hochdruck
des Kraftstoffsystems nicht durch den Sensor 12 gemessen
werden kann. Die Zeit, in denen der Dichtsitz 34 zwischen
den Einspritzvorgängen
geschlossen ist, und die untere Stirnseite des Druckstifts 9 dem
hohen Kraftstoffdruck des Systems ausgesetzt ist, reicht aus, um
eine zuverlässige
Druckmessung vorzunehmen.
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2 zeigt
ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit vier Kraftstoffinjektoren 1, 1a einer
Kraftstoffpumpe 28 und einem Druckregelventil 42.
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Der
Ausgang der Kraftstoffpumpe 28 ist über eine Kraftstoffzulaufleitung 46 und
einer Zulaufdrossel 47 mit dem Zulauf 30 eines
ersten Injektors 1 verbunden. Der Kraftstoffablauf 40 des
ersten Injektors 1 ist über
eine Verbindungsleitung 44 mit dem Zulauf 30 eines
zweiten Injektors 1 verbunden. Der Kraftstoffablauf des
zweiten Injektors 1a ist über eine weitere Verbindungsleitung 44 mit
dem Kraftstoffzulauf eines dritten Injektors 1 verbunden.
Der Kraftstoffablauf 40 des dritten Injektors 1 ist über eine
dritte Verbindungsleitung 44 mit dem Kraftstoffzulauf 30 eines vierten
Injektors 1 verbunden. Der Kraftstoffablauf 40 des
vierten Injektors 1 ist über eine Ablaufleitung 38 mit
einem Druckregelventil 42 verbunden. Der zweite Kraftstoffinjektor 1a ist
als erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor
mit einem in den Niederdruckbereich integrierten Drucksensor 12 ausgebildet.
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Das
in der 2 gezeigte Kraftstoff-Einspritzsystem weist keinen
zentralen Druckspeicher auf. Dennoch kann der Kraftstoffdruck in
dem Kraftstoff-Einspritzsystem
zuverlässig
gemessen werden, da wenigstens einer der Kraftstoffinjektoren 1 als
erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 1a mit
einem integrierten Drucksensor 12 ausgebildet ist. Je nach
Bedarf können
einer oder mehrere der Kraftstoffinjektoren 1 als erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 1a mit einem
Drucksensor 12 oder als herkömmliche Kraftstoffinjektoren 1 ohne
Drucksensor 12 ausgebildet sein. Durch das Druckregelventil 42 kann
der Kraftstoffdruck im System eingestellt werden. Dadurch, dass
die Kraftstoffinjektoren 1, 1a in Reihe miteinander
verbunden sind, ist ein einziges Druckregelventil 42 ausrei chend
um den Kraftstoffdruck im Einspritzsystem zu regulieren. Sowohl
ein zentraler Druckspeicher als auch zusätzliche Verbindungsleitungen werden
eingespart. Ein solches Kraftstoffsystem ist einfach und kostengünstig zu
realisieren.