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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Speichervolumen-Kraftstoffeinspritzsystem
für eine Brennkraftmaschine
(EP-A-1219827).
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Moderne
Kraftstoffeinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen
weisen normalerweise auf: eine Pumpe zum Zuführen von Hochdruckkraftstoff zu
einer Verteilerleitung, die ein gegebenes Kraftstoffspeichervolumen
hat, und zum Versorgen einer Anzahl von Motorzylinder-Injektoren.
Die Pumpe weist mindestens ein hin- und hergehendes Pumpelement
auf, das jedes Mal einen Ansaughub und einen Verdichtungs- oder
Abgabehub ausführt.
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Wie
bekannt ist, muss der Kraftstoff, um angemessen zerstäubt zu werden,
auf einen extrem hohen Druck gebracht werden, beispielsweise im
Bereich von 1600 Bar unter maximalen Motorlastbedingungen. Aktuelle
Vorschriften, die Verschmutzung durch Abgase von Brennkraftmaschinen
regeln, verlangen, dass der Kraftstoff-Förderdruck zu den Injektoren
in Bezug auf das elektronische Kennfeld der zentralen Steuereinheit
möglichst
genau reproduzierbar ist. Druckschwankungen in der Verteilerleitung
in Bezug auf den eingestellten Druck können begrenzt werden, wenn
das Volumen der Verteilerleitung über der Größenordnung der von jedem Injektor
pro Verbrennungszyklus entnommenen Kraftstoffmenge ist. Eine solche
Verteilerleitung ist jedoch unvermeidlich sperrig, und es ist deshalb
schwierig, sie an der Brennkraftmaschine unterzubringen.
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Zur
Steuerung des Drucks in der Verteilerleitung gemäß dem Kennfeld in der zentralen
Steuereinheit ist vorgeschlagen worden, entlang der Pumpenförderleitung
zu der Verteilerleitung ein elektromagnetisches Bypassventil anzubringen,
das von einer Elektronikeinheit als eine Funktion verschiedener Motorbetriebsparameter
gesteuert wird.
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Es
ist ferner vorgeschlagen worden, das Pumpelement mittels eines Exzenters
zu betätigen, der
synchron mit jedem Injektor arbeitet.
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Bei
bekannten Systemen dieser Art hat jedes Pumpelement einen momentanen
Durchfluss, dessen Maximalwert kleiner als der Maximalwert jedes Injektors
ist, so dass während
jeder Einspritzung normalerweise nur ein Teil des eingespritzten
Kraftstoffs, ungefähr
20 %, von der Pumpe zugeführt
wird, während
der Rest von der Verteilerleitung zugeführt wird. Systeme dieser Art
haben deshalb den Nachteil, dass sie unbedingt eine Verteilerleitung
geeigneter Größe benötigen. Außerdem arbeitet
die Pumpe permanent mit der maximalen Durchflussrate, während die
elektromagnetischen Bypassventile nur dafür sorgen, dass der überschüssige geförderte Kraftstoff, der
den von den Injektoren entnommenen überschreitet, in den Tank abläuft, wodurch
Wärme abgeleitet
wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzsystem bereitzustellen,
das hochzuverlässig
ist und die Nachteile bekannter Systeme durch Optimieren des Leistungsvermögens und
Minimieren des Kraftstoffspeichervolumens zwischen der Pumpe und
den Injektoren eliminiert.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine
gemäß Anspruch
1 bereitgestellt. Dabei weist die Durchflusssteuereinrichtung ein
Ein-/Aus-Elektromagnetventil entlang der Ansaugleitung des Pumpelements
auf, dessen maximaler momentaner Durchfluss größer ist als der maximale Durchfluss
jedes Injektors, und das Elektromagnetventil wird von einer Zerhacker-Steuereinheit
synchron mit dem Ansaughub gesteuert.
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Die
Zerhacker-Steuereinheit sorgt für
eine Impulsbreitenmodulationssteuerung (PWM-Steuerung) des Ein-/Aus-Elektromagnetventils
mit einem Pumpelement-Ansaugbeginnzeitpunkt
und -endzeitpunkt, um die in den Verdichtungsraum zugeführte Kraftstoffmenge
durch Modulation sowohl des Zeitpunkts, zu dem das Elektromagnetventil öffnet, als auch
des Zeitpunkts, zu dem es schließt, zu steuern.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern des Kraftstoffdrucks
in einem Speichervolumen für
eine Anzahl von Kraftstoffinjektoren gemäß Anspruch 9.
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Einige
bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsformen
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beispielhaft beschrieben; diese zeigen in:
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1 eine
schematische Ansicht eines, Kraftstoffeinspritzsystems mit Verteilerleitung
nach der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Detail einer Abwandlung des Einspritzsystems nach der Erfindung;
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3 ein
Betriebsdiagramm des Einspritzsystems der 1 und 2;
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4 ein
Betriebsdiagramm eines bekannten Einspritzsystems.
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Das
Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet als
Ganzes ein Kraftstoffeinspritzsystem mit Verteilerleitung für eine Brennkraftmaschine 2,
beispielsweise einen Dieselmotor, der eine Anzahl von beispielsweise
vier Zylindern 3 aufweist, die mit entsprechenden Kolben
(nicht gezeigt) zum Drehen einer Antriebswelle 4 zusammenwirken.
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Das
Einspritzsystem 1 weist eine Anzahl von elektrisch gesteuerten
Injektoren 5 auf, die Zylindern 3 zugeordnet sind
und Hochdruckkraftstoff in diese einspritzen. Die Injektoren 5 sind
mit einem Speichervolumen verbunden, das ein gegebenes Volumen für einen
oder mehrere Injektoren 5 hat.
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Bei
der Ausführungsform
von 1 ist das Speichervolumen von einer Verteilerleitung 6 definiert,
mit der sämtliche
Injektoren 5 verbunden sind und der von einer Hochdruckpumpe,
die ingesamt mit 7 bezeichnet ist, Hochdruckkraftstoff
entlang einer Hochdruckabgabeleitung 8 zugeführt wird.
Das Speichervolumen kann ferner in der Pumpenabgabeleitung 8 zu
den Injektoren 5 verteilt sein.
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Die
Hochdruckpumpe 7 wird ihrerseits von einer Niederdruckpumpe,
beispielsweise einer motorgetriebenen Pumpe 9, entlang
einer Niederdruck-kraftstoffansaugleitung 10 versorgt.
Die motorgetriebene Pumpe 9 ist normalerweise in dem Kraftstofftank 11 angeordnet,
mit dem eine Ablaufleitung 12 des Einspritzsystems 1 für überschüssigen Kraftstoff
verbunden ist. Die Ablaufleitung 12 leitet in den Tank 11 sowohl
den von den Injektoren 5 abgeleiteten überschüssigen Kraftstoff als auch
eventuell von der Verteilerleitung 6 abgeleiteten überschüssigen Kraftstoff
ab, wenn der Druck den von einem elektromagnetischen Regelventil 15 definierten
Druck überschreitet.
Zur Steuerung der Abgabe der Pumpe 7 ist eine Regeleinrichtung,
die mindestens ein Ein-/Aus-Elektromagnetventil 27 aufweist,
zwischen der motorgetriebenen Pumpe 9 und der Hochdruckpumpe 7 angeordnet.
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Der
Kraftstoff in dem Tank 11 hat Atmosphärendruck. Im tatsächlichen
Gebrauch verdichtet die motorgetriebene Pumpe 9 den Kraftstoff
auf einen niedrigen Druck, beispielsweise ungefähr 2 bis 3 Bar; und die Hochdruckpumpe 7 verdichtet
den von der Ansaugleitung 10 kommenden Kraftstoff, so dass Hochdruckkraftstoff
von beispielsweise ungefähr 1600
Bar entlang der Abgabeleitung 8 der Verteilerleitung 6 zugeführt wird.
Jeder Injektor 5 wird aktiviert, um in einen entsprechenden
Zylinder 3 eine veränderliche
Kraftstoffmenge, d. h. im Bereich zwischen einem Minimal- und einem
Maximalwert, unter Steuerung durch eine elektronische Steuereinheit 16 einzuspritzen,
die von der zentralen Mikroprozessor-Steuereinheit der Brennkraftmaschine 2 gebildet sein
kann.
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Die
Steuereinheit 16 empfängt
Signale, welche die Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 2 bezeichnen, wie etwa die Position
des Fahrpedals und die Drehzahl der Antriebswelle 4, die
von entsprechenden Sensoren detektiert werden, und den von einem
Drucksensor 17 detektierten Kraftstoffdruck in der Verteilerleitung 6.
Die Steuereinheit 16 verarbeitet mittels eines speziellen
Programms die ankommenden Signale, um zu steuern, wann und für wie lang
einzelne Injektoren 5 aktiv sein sollen, sowie um das elektromagnetische
Regelventil 15 zu steuern.
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Die
Hochdruckpumpe 7 weist ein oder mehrere hin- und hergehende
Pumpelemente 18 auf, die jeweils von einem Zylinder 19 gebildet
sind, der einen Verdichtungsraum 20 hat, in dem ein Kolben 21 gleitet.
Der Verdichtungsraum 20 steht mit der Ansaugleitung 10 über ein
Ansaugventil 25 in Verbindung und steht mit der Abgabeleitung 8 über ein
Abgabeventil 30 in Verbindung. Der Kolben 21 wird
von einer Exzentereinrichtung 22 aktiviert, die an einer
Welle 23 angebracht ist, um eine hin- und hergehende Sinusbewegung
auszuführen,
die einen Ansaughub und einen Verdichtungs- oder Förderhub
aufweist, wie noch im Einzelnen erläutert wird.
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In
dem Beispiel von 1, nämlich bei einer Pumpe 7 mit
zwei Pumpelementen 18, die von einem Exzenter 22 gesteuert
werden, und mit einem Verdichtungshub durch jedes Pumpelement 18 bei
jeder Umdrehung der Welle 23 der Pumpe 7, ist
die Welle 23 mit der Antriebswelle 4 durch eine
Getriebeeinrichtung 26 verbunden, so dass bei jeder Einspritzung
durch die Injektoren 5 in jeweilige Zylinder 3 ein Verdichtungshub
ausgeführt
wird. Bei einem Viertaktmotor 2 ist deshalb die Drehzahl
der Welle 23 der Pumpe 7 gleich der Drehzahl der
Welle 4 der Brennkraftmaschine 2 (Übersetzungsverhältnis =
1). Die Welle 23 kann von einer Welle gebildet sein, die
auch dazu dient, andere Einrichtungen der Brennkraftmaschine 2 zu
betreiben.
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Bei
Brennkraftmaschinen mit vier oder mehr Zylindern weist die Pumpe 7 normalerweise
eine Anzahl von Pumpelementen 18 auf, die von einem gemeinsamen
Exzenter aktiviert werden können.
Bei der Ausführungsform
von 1 weist die Pumpe 7 zwei diametral gegenüberliegende
Pumpelemente 18 auf, die von einem gemeinsamen Exzenter 22 aktiviert
werden.
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In
dem Diagramm von 3 zeigt die x-Achse den Ansaughub
Ps-Pi und den Verdichtungshub Pi-Ps eines Pumpelements 18.
Die Geschwindigkeit des Pumpelements 18 ist durch eine
Sinuskurve 24 gezeigt, die deshalb auch den momentanen
Durchfluss Q des Pumpelements 18 in Abwesenheit des Ein-/Aus-Elektromagnetventils 27 repräsentiert.
Der Bereich unter der Kurve 24 repräsentiert also die maximale
Kraftstoffansaug-/-abgabemenge bei jedem Pumpenhub.
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Der
Betrieb eines Injektors 5 bei jeder Einspritzung in den
jeweiligen Zylinder 3 ist durch ein Rechteck I0ABI1 repräsentiert,
dessen Basis auf der x-Achse ein Segment zwischen einem Startpunkt
I0 und einem Endpunkt I1 ist
und dessen Höhe
den momentanen Durchfluss (hier als konstant angenommen) des Injektors 5 bezeichnet.
Der Bereich des Rechtecks I0AB1 repräsentiert
also die von dem Injektor 5 in der Einspritzstufe abgegebene
Kraftstoffmenge, die hinsichtlich Dauer variiert, und zwar sowohl durch Änderung
der Position der Punkte I0 und I1 als auch durch Änderung des momentanen Durchflusses
des Injektors, d. h. der Höhe
des Rechtecks I0ABI1,
beispielsweise durch Änderung
des Kraftstoffdrucks in der Verteilerleitung 6.
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In
der bekannten Technologie, die in dem Diagramm von 4 gezeigt
ist, ist die von der Pumpe während
der Einspritzung abgegebene Kraftstoffmenge I0DCI1 nur ein Bruchteil, beispielsweise ungefähr 20 %,
des maximalen Durchflusses des Injektors 5, so dass unter
maximalen Lastbedingungen der Brennkraftmaschine 2 die
Restmenge ABCD, d. h. die anderen 80 % der einzuspritzenden Kraftstoffmenge,
durch die Verteilerleitung 6 zugeführt werden muss. Das Volumen
der Verteilerleitung 6 muss deshalb beträchtlich
sein, um einen übermäßigen Druckabfall
des Kraftstoffs in der Leitung während
jeder Einspritzung zu vermeiden. 80 % des Kraftstoffs müssen also
der Verteilerleitung 6 durch weitere Fördermengen der Pumpelemente 18 in
der Zeit zugeführt
werden, die zwischen dem Ende der vorhergehenden Einspritzung und
dem Start der in 4 gezeigten Einspritzung vergeht,
wobei die Pumpe beispielsweise drei Pumpelemente 18 aufweist,
die kontinuierlich mit der maximalen Durchflussrate arbeiten.
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Nach
der Erfindung ist der maximale momentane Durchfluss des Pumpelements 18 größer als
der maximale Durchfluss jedes Injektors 5 und kann vorteilhafterweise über 150
%, beispielsweise im Bereich zwischen 150 % und 250 %, des maximalen
Durchflusses des Injektors 5 sein.
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Der
Verdichtungshub Pi-Ps des Pumpelements 18 wird synchron
mit der Einspritzung durch den Injektor 5 ausgeführt. Das
Ein-/Aus-Elektromagnetventil 27 wiederum wird von der Steuereinheit 16, vorteilhafterweise
mittels einer entsprechenden Software, zerhackergesteuert. Während des
Ansaughubs Ps-Pi steuert die Steuereinheit 16 das Ein-/Aus-Elektromagnetventil 27 zwischen
einem Öffnungszeitpunkt
T2, d. h. dem Ansaugbeginn, und einem Schließzeitpunkt
T3, d. h. dem Ansaugende. Dabei steuert
die Steuereinheit 16 das Elektromagnetventil 27 durch
ein logisches PWM-Signal und mit einer Frequenz, die auf die Geschwindigkeit
der Welle 23 der Pumpe 7 bezogen ist. Während des
Ansaughubs Ps-Pi führt
das Ein-/Aus-Elektromagnetventil 27 dem Verdichtungsraum 20 in
dem Intervall T2-T3 eine
vorbestimmte Kraftstoffmenge T2T3NP zu – wobei
der Bereich T2T3NP
zu dem Bereich T0HPs in 3 äquivalent
ist -, die als eine Funktion sowohl der Dauer- als auch der Zeitlage
des Intervalls T2-T3 variiert
und zu der von der motorgetriebenen Pumpe 9 erzeugten Förderhöhe proportional
ist.
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Sobald
das Ansaugventil 25 von seiner Feder geschlossen wird,
um den Ansaughub Ps-Pi zu beenden, sind sowohl die Dampf- als auch
die Flüssigphase
des Kraftstoffs in dem Verdichtungsraum 20 vorhanden. Während des
ersten Abschnitts Pi-T0 des Verdichtungshubs
Pi-Ps bleibt das Abgabeventil 30 aufgrund der Verdichtbarkeit
des vorher eingeleiteten Kraftstoffdampfes geschlossen und öffnet zu
dem Zeitpunkt T0, zu dem die Dampfphase
nicht mehr vorhanden ist und der Druck des Flüssigphase-Kraftstoffs den Kraftstoffdruck in der
Abgabeleitung 8 überschreitet.
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Die
Pumpe 7 fördert
also nur während
des Abschnitts T0-T1 des
Verdichtungshubs jedes Pumpelements 18. Da die von dem
Pumpelement 18 geleistete Arbeit zur Verdichtung des Dampfes
in dem Anfangsabschnitt des Verdichtungshubs Pi-T0 vernachlässigbar
ist, verliert die Pumpe 7 sehr wenig Energie. Die während des
Ansaughubs von dem Elektromagnetventil 27 eingeleitete
Kraftstoffmenge T2T3NP
definiert also eindeutig den Abgabestartzeitpunkt T0 und
wird als eine Funktion der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 2,
d. h. des von den Injektoren 5 verlangten Durchflusses,
gewählt.
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Die
Steuereinheit 16 zerhackermoduliert also die Abgabe der
Pumpelemente 18 und steuert das Öffnen des Elektromagnetventils 27 durch
Modulieren sowohl des Ansaugstartzeitpunkts T2 als
auch des Ansaugendzeitpunkts T3, um dem
Verdichtungsraum 20 eine Fluidmenge zuzuführen (Bereich T2T3NP in 3),
die den Abgabestartzeitpunkt T0 eindeutig
definiert. Die der Abgabeleitung 8 zugeführte Fluidmenge
(Bereich T0HT1 in 3)
ist also nur geringfügig
größer als
die von dem Injektor 5 bei der entsprechenden Einspritzung
einzuspritzende Kraftstoffmenge (Bereich I0ABI1 in 3). Die
Verteilerleitung 6 muss also während der Einspritzung nur eine
minimale Kraftstoffmenge zuführen
(Bereich DBC in 3), so dass trotz des kleinen
Speichervolumens der Verteilerleitung 6 der Druck darin
mehr oder weniger konstant bleibt. Dabei kann die Verteilerleitung 6 klein
ausgebildet sein oder sogar das gleiche Volumen wie die Hochdruckleitung 8 haben, da
der aus der Verteilerleitung entnommene Kraftstoff während der
gleichen Einspritzung nahezu vollständig und gleichzeitig ersetzt
wird.
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Dabei
entsprechen die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
T2 und T3 des Elektromagnetventils 27 zwei
Zwischenpunkten in dem Ansaughub des Pumpelements 18 und
können
vorteilhafterweise in Bezug auf einen Zeitpunkt T4,
zu dem das Pumpelement 18 die maximale Geschwindigkeit
hat und der Unterdruck in dem Raum 20 deshalb maximal ist,
baryzentrisch sein. Der Zeitpunkt T0 entspricht
dagegen einem Zwischenpunkt in dem Verdichtungshub des Pumpelements 18,
der geringfügig
vor dem Einspritzstartzeitpunkt I0 liegt,
so dass der Bereich T0HDAI0 im Wesentlichen
gleich dem Bereich DBC ist.
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Bei
der Ausführungsform
von 2 sind die zwei Pumpelemente 18 in Reihe
angeordnet und werden von zwei Exzentern 22 aktiviert,
die in diametral gegenüberliegenden
Positionen an der Welle 23 befestigt sind; auch hier ist
ein Ein-/Aus-Elektromagnetventil 27 an
einem Bereich 31 der Ansaugleitung 10 angebracht,
die beiden Pumpelementen gemeinsam ist.
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Das
vorstehend beschriebene Einspritzsystem stellt also ein Verfahren
zum Steuern des Kraftstoffdrucks in einem Speichervolumen 6 bereit,
wobei Kraftstoff durch mindestens ein hin- und hergehendes Pumpelement 18 zugeführt wird,
das einen Verdichtungshub ausführt,
wobei das Steuerungsverfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet
ist:
- – Bereitstellen
eines Pumpelements 18 mit einem maximalen momentanen Durchfluss,
der größer ist
als der maximale momentane Durchfluss einer Einspritzung durch jeden
Injektor 5;
- – Bereitstellen
eines Ein-/Aus-Elektromagnetventils 27 entlang einer Ansaugleitung 10 des
Pumpelements 18;
- – Aktivieren
des Pumpelements 18 synchron mit jeder Einspritzung; und
- – Steuern
des Ein-/Aus-Elektromagnetventils 27 während des Ansaughubs des Pumpelements 18, um
eine vorbestimmte Kraftstoffmenge zuzuführen, die den Abgabestartzeitpunkt
T0 eindeutig definiert.
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Die
Kraftstoffmenge, die durch die Verteilerleitung 6 jedem
Injektor 5 bei jeder Einspritzung zugeführt wird, wird also reduziert.
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Im
Vergleich mit bekannten Systemen ergeben sich die Vorteile des Einspritzsystems
nach der Erfindung deutlich aus der vorstehenden Beschreibung. Insbesondere
kann die Verteilerleitung 6 sehr klein gemacht oder sogar
eliminiert werden, mit offensichtlichen Vorteilen hinsichtlich des
Layouts des Einspritzsystems im Motorraum.
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Selbstverständlich können an
dem unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Einspritzsystem
weitere Änderungen
vorgenommen werden, ohne jedoch vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
Beispielsweise kann jedes Pumpelement 18 der Pumpe 7 mit
seinem eigenen Ein-/Aus-Elektromagnetventil 27 an der jeweiligen Ansaugleitung
versehen sein; das Intervall T2-T3 kann irgendwo innerhalb des Ansaughubs
Ps-Pi liegen; das Ein-/Aus-Elektromagnetventil 27 kann
mit der Pumpe 7 integriert sein, die ihrerseits sogar von einem
Pumpelement 18 gebildet sein kann; und die Pumpe 7 kann
sogar von einer Pumpe mit drei oder mehr radialen Pumpelementen
gebildet sein und in anderen als Vierzylindermotoren verwendet werden.