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Die Erfindung geht aus von einem
Speichereinspritzsystem zur Dämpfung
von Druckwellen, insbesondere bei einem Common Rail Einspritzsystem, bei
dem Kraftstoff mit hohem Druck während
eines Einspritzzykluses mit mehreren Einspritzimpulsen in kurzen
Zeitabständen
eingespritzt wird, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon
bekannt, dass bei einem Common Rail Einspritzsystem der gewünschte Betriebsdruck
für den
einzuspritzenden Kraftstoff in einem Speichersystem bereitgestellt wird.
Dabei werden die Druckwellen, die bei jedem kurzen Einspritzimpuls
entstehen, durch die Leitungen (Common Rail) mehr oder weniger schnell
gedämpft.
Dennoch können
Druckwellen entstehen, deren Amplituden mehrere Hundert bar betragen
können.
Diese Druckwellen breiten sich mit der dem Kraftstoff entsprechenden
Schallgeschwindigkeit aus und werden an den Wandungen der Kraftstoffleitung, den Übergängen zum
Rail, an den Ventilen, Kanten usw. reflektiert. Durch die Überlagerung
von Druckwellen entsteht ein komplexes Schwingungssystem, das die
einzuspritzende Kraftstoffmenge in ungünstiger Weise beeinflussen
kann. Insbesondere bei mehreren aufeinander folgenden Einspritzungen
mit sehr kurzen zeitlichen Abständen
(bis zu 100 μs)
können die
Druckwellen des vorausgegangenen Einspritzimpulses den nachfolgenden
Einspritzimpuls in unerwünschter
Weise beeinflussen, da die Druckwellen erst nach mehreren Schwingungen
und in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
abklingen.
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Um dieses Problem zu lösen, wurde
bisher der zeitliche Abstand zwischen zwei Einspritzimpulsen fest
vorgegeben. Er wurde so gewählt,
dass der zeitliche Druckgradient minimal wurde, um eine möglichst
geringe Streuung der Einspritzmenge der einzelnen Einspritzimpulse
zu erhalten. In vielen Fällen war
dieses Vorgehen ausreichend, da bei der Pilot- oder Vor einspritzung
nur eine geringe Menge Kraftstoff und bei der zweiten Einspritzung
die vorgesehene Haupteinspritzmenge eingespritzt wurde. Durch die
geringe Voreinspritzmenge kommt es in der Regel zu nur geringen
Druckeinbrüchen,
die die nachfolgende Haupteinspritzung auch nur geringfügig negativ
beeinflusst.
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Bei den neuen Anforderungen an das
Einspritzsystem mit mehreren, beispielsweise n = 5, n = 8... Einspritzungen
pro Zyklus und Zylinder verschärft sich
die oben beschriebene Problematik massiv. Insbesondere können die
zeitlichen Abstände
zwischen zwei Einspritzimpulsen nicht mehr fest vorgegeben werden,
da beispielsweise auch nach einer großen Einspritzmenge (Split Main-Injection)
noch weitere Einspritzimpulse (Post-Injection) exakt dosiert werden müssen. Die
bisherige Methode, das Rail mit seinem relativ großen Volumen
als Dämpfer
für die Druckwellen
zu verwenden, ist nicht mehr ausreichend.
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Prinzipiell ist aus physikalischen Überlegungen
bekannt, Druckwellen durch Reflexion und Absorption zu dämpfen. Während die
Reflexionen an Wandungen entstehen, erfolgt bei der Absorption der Druckwelle
eine Dissipation in Wärme.
Meistens werden bei per se bekannten Pulsationsdämpfern beide Methode angewandt.
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Eine alternative Möglichkeit
besteht in der Vergrößerung des
Speichervolumens unter Ausnutzung des Elastizitätsmoduls (E-Moduls) des Kraftstoffs. Diese Möglichkeit
erscheint jedoch weniger gut geeignet, da das Einspritzsystem durch
das große
Volumen zu träge
wird und auf gewünschte Druckänderungen
nicht schnell genug reagieren kann.
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Das erfindungsgemäße Speichereinspritzsystem
(Einspritzsystem) mit einer Dämpfungseinrichtung,
insbesondere für
ein Common Rail Einspritzsystem, bei dem Kraftstoff mit hohem Druck während eines
Einspritzzykluses mit mehreren Einspritzimpulsen in kurzen Zeitabständen eingespritzt wird,
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Haupanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Dämpfungseinrichtung
zur mehrfachen intensiven Reflexion und/oder Absorption ausgebildet
ist und einen so großen
Strömungsquerschnitt
aufweist, dass kein spürbarer
Druckverlust auftritt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise einerseits
der Energieverlust verringert und andererseits eine hohe Flexibilität des Einspritzsystem
erzielt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen
Speichereinspritzsystems gegeben. Als eine besonders einfache und
wirkungsvolle Lösung
für die
Dämpfung
der Druckwellen wird ein Sintermetalleinsatz angesehen. Durch den
per se bekannten Sinterprozess kann beispielsweise ein metallischer
Zylinder oder eine zylindrische Scheibe hergestellt werden, die
einen hohen Anteil von kraftstoffdurchlässigen Poren aufweist. Man
erhält
beispielsweise ein Hohlvolumen von 40%. Die relevante freie Querschnittfläche und
somit auch das Verhältnis aus
Strömungs-
zu Gesamtquerschnittsfläche
beträgt
somit etwa 40%. Besonders vorteilhaft ist jedoch, dass bezüglich der
Reflexion das Verhältnis Reflexions-
zu Gesamtquerschnittsfläche
praktisch 100% beträgt.
Im Vergleich dazu würde
eine Lochblende mit vergleichbaren Abmessungen wesentlich schlechtere
Eigenschaften aufweisen. Hier würde das
Verhältnis
aus Strömungs-
zu Gesamtquerschnittsfläche
nur etwa 6% betragen und das Verhältnis Reflexions- zu Gesamtquerschnittsfläche nur etwa
94%. Im Vergleich hierzu weist der Sintermetalleinsatz also wesentlich
bessere Reflexions- und Absorptionseigenschaften sowie einen niedrigeren Strömungswiderstand
auf.
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Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn
zwei Sintermetalleinsätze
seitlich versetzt angeordnet werden. Mit dieser Anordnung werden
insbesondere stehende Welle (Druckwellen) vorteilhaft vermieden.
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Eine günstige alternative Lösung insbesondere
zur Vermeidung stehender Wellen wird auch in einer Anordnung gesehen,
bei der mehrere Sintermetalleinsätze
oder -scheiben in verschiedenen Ebenen mit unregelmäßigen Abständen eingesetzt
werden.
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Vorteilhaft erscheint auch eine Lösung mit
einem (koaxialen) Doppelrohr mit unterschiedlichen Durchmessern,
bei dem der innere Teil des kleineren Rohres mit einer entsprechenden
Perforation ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung lässt sich
besonders einfach und kostengünstig
herstellen.
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Günstig
erscheint auch, die Anordnung mit einem Drahtgeflecht zu versehen,
bei dem die Fasern möglichst
chaotisch verteilt sind.
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Durch die Anordnung von wenigstens
zwei Blechen im Strömungskanal
mit unterschiedlichen Winkeln erhält man eine Dämpfungseinrichtung,
die ähnlich
wie bei einem Stabfilter gute Durchlass- und Reflexionseigenschaften
aufweist.
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Eine günstige alternative Lösung stellt
auch die Anordnung mit seitlich oder zahnartig versetzten Lamellen
dar. Auch in diesem Fall sind der Strömungswiderstand relativ gering
und die Dämpfungseigenschaften
recht günstig.
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Die Ausbildung der Dämpfungseinrichtung mit
verschiedenen Querschnittsprüngen
bewirkt ebenfalls eine starke Dämpfungswirkung,
da sowohl sehr viele Reflexionen an den Wandungen als auch Absorptionen
auftreten.
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Die Ausbildung der Dämpfungseinrichtung mit
Bögen,
einer Wendel oder einem Trichter bewirkt ein häufiges Umlenken der Druckwellen,
so dass entsprechende Reflexionen entstehen, die ein rasches Abklingen
der Amplituden der Druckwellen bewirken.
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Die Dämpfungseinrichtung wird möglichst am
Ort der Entstehung der Druckwellen angeordnet, um die bestmögliche Wirkung
zu erzielen. Dies ist vorzugsweise zwischen der Hochdruckleitung (Druckleitung)
und dem Injektor beziehungsweise innerhalb des Injektors zwischen
dem Aktor und der Einspritzdüse
vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Speichereinspritzsystem mit einer Dämpfungseinrichtung so auszubilden,
dass die entstehenden Druckwellen möglichst schnell gedämpft werden,
wobei kein spürbarer
Druckverlust auftreten soll. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Hauptanspruchs gelöst.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung einen Injektor eines Speichereinspritzsystems,
die 2a-c zeigen verschiedene Diagramme,
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Sintermetalleinsatz,
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel mit
zwei versetzt angeordneten Sintermetalleinsätzen,
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einer Anordnung von drei Sintermetalleinsätzen,
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einem Drahtgeflecht,
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einem Doppelrohr,
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die 8 und 9 zeigen Ausführungsbeispiele
mit eingesetzten Blechen beziehungsweise Lamellen,
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die 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele
mit unterschiedlichen Querschnittsprüngen,
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die 12 und 13 zeigen Ausführungsbeispiele
mit Rohrbogen beziehungsweise mit einer Wendel,
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14 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einer trichterförmigen
Anordnung und
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15 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einem Rohrbündel
als Strömungsgleichrichter.
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Bezüglich der Figurenbeschreibung
zeigt 1 in schematischer
Darstellung einen handelsüblichen
Injektor 1, wie er beispielsweise bei einem Kraftstoff-Einspritzsystem
für die
Dieseleinspritzung Verwendung findet. Der Injektor 1 weist
einen elektrischen Anschluss 10 beispielsweise für einen
piezoelektrischen Aktor 11 auf, der im Innern des Injektors 1 angeordnet
ist. Der piezoelektrische Aktor 11 steht mit einer Düsennadel
einer Einspritzdüse
in Verbindung, die sich im unteren Teil des Injektors befindet und
im Ruhezustand eine mit Kraftstoff gefüllte Hochdruckleitung geschlossen
hält. Werden
an den piezoelektrischen Aktor 11 entsprechende Spannungsimpulse
angelegt, dann wird die Einspritzdüse bei jedem Impuls etwas geöffnet, so
dass an der Einspritzdüse
eine bestimmte Kraftstoffmenge möglichst
stark vernebelt austreten kann. Im rechten Teil der 1 ist ein Druckanschlussstutzen 3 mit
einem Druckrohrstutzen 2 dargestellt. Im Innern des Druckrohrstutzens 2 ist
eine Filtervorrichtung mit einem Stabfilter eingesetzt, um im Kraftstoff
enthaltene feste Partikel herauszufiltern. Am äußeren Ende des Druckrohrstutzens 2 ist
ein Leitungsanschluss 4 vorgesehen, an dem die mit Kraftstoff
gefüllte
Hochdruckleitung anschließbar
ist.
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Die Entstehung von Druckwellen und
insbesondere deren Einfluss bei der Mehrfacheinspritzung mit sehr
kurzen zeitlichen Abständen
bis ca. 100 μs wird
an Hand der Diagramme der 2a bis c erläutert.
Beispielsweise wird entsprechend 2a ein kurzer
erster Einspritzimpuls I und im zeitlichen Abstand dt ein zweiter
Einspritzimpuls II gestartet. Durch den ersten Einspritzimpuls I
entsteht als Folge des plötzlichen
Druckabfalls im System eine Druckwelle, deren Verlauf beispielhaft
in 2b auf der Zeitachse t dargestellt
ist. In der Praxis entstehen durch die Reflexionen sehr viele Druckwellen,
die sich überlagern
und ein sehr komplexes Schwingungsmodell bilden.
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Die eingespritzte Kraftstoffmenge
ist von verschiedenen Faktoren wie der Einspritzdauer, dem hydraulischen
Durchfluss, Temperatur und E-Modul des Krafftstoffs und insbesondere
vom vorherrschenden Druck im System zum Zeitpunkt der Einspritzung
abhängig.
Da der Druck im System jedoch sehr stark schwanken kann, wie der 2b entnehmbar ist, ändert sich auch für den nachfolgenden
zweiten Einspritzimpuls II seine Einspritzmenge druckabhängig. Dieses
Verhalten trifft natürlich
auf alle gegebenenfalls weitere Einspritzimpulse zu.
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2c zeigt
die Änderung
der eingespritzten Kraftstoffmengen in Abhängigkeit von den Druckschwankungen,
wie sie in 2b dargestellt wurden. Als
weitere Problematik kommt hinzu, dass bei einer Mehrfacheinspritzung
mit bis zu fünf
Einspritzimpulsen sehr genau auf die zeitlichen Abstände dt geachtet
werden muss, damit auch wirklich die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt
werden kann. Feste zeitliche Abstände dt – wie beim bekannte Stand der Technik üblich – sind nicht
mehr zulässig,
da der gesamte Einspritzzyklus innerhalb eines fest vorgegebenen
Zeitfensters abgelaufen sein muss. Die einzelnen Zeitabstände dt zwischen
jeweils zwei Einspritzimpulsen werden daher unter Berücksichtigung
weiterer Parameter variabel gestaltet, wobei die erfindungsgemäßen Dämpfungsmaß nahmen
dafür sorgen
sollen, dass die entstehenden Druckwellen möglichst geringe Amplituden
aufweisen und schnell abklingen, damit zum Zeitpunkt des nächsten Einspritzimpulses
die Druckverhältnisse
definierbar sind.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
für eine
Dämpfungseinrichtung
zeigt 3. Sie zeigt einen
Sintermetalleinsatz 6, der als Zylinder oder zylindrische
Scheibe ausgebildet ist. Es hat beispielsweise einen Durchmesser
von 2-3 mm. Wie bereits erläutert
wurde, ist sein Druckabfall sehr viel kleiner als bei einer vergleichbar
großen
Lochblende mit einem Lochdurchmesser von 0,5 mm. Gleichzeitig wird
seine Reflexionsfläche
gesteigert. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass keine
Reflexionsebene (wie bei der Lochblende) besteht. Dadurch werden
die Druckwellen phasenverschoben reflektiert und dämpfen sich
gegenseitig. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass die Druckwellen
nicht (wie bei der Lochblende) entgegen ihrer Ausbreitungsrichtung
reflektiert werden, sondern wegen der Kugelform der einzelnen Metallteilchen
des Sintermetalleinsatzes diffus gestreut werden. Eine unerwünschte Überlagerung
von reflektierten Druckwellen wird somit wirkungsvoll vermieden.
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In 4 sind
zwei Sintermetalleinsätze 6 vorgesehen,
die in einer Druckleitung 5 der Dämpfungseinrichtung 7 versetzt
angeordnet sind.
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In 5 wird
vorgeschlagen, mehrere Sintermetalleinsätze 6, die beispielsweise
scheibenförmig
ausgebildet sind, in verschiedenen Ebenen der Dämpfungseinrichtung 7 anzuordnen.
In diesem Ausführungsbeispiel
wurden drei Sintermetalleinsätze 6 hintereinander
angeordnet, wobei deren Abstände
a,b unterschiedlich groß gewählt sind.
Dadurch werden insbesondere stehende Druckwellen und Resonanzen
vermieden. Diese Anordnung ist ebenfalls in der Druckleitung 5 angebracht.
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6 zeigt
eine Dämpfungseinrichtung 7, bei
der ein Drahtgeflecht 8 angeordnet ist. Das Drahtgeflecht 8 weist
Fasern auf, die möglichst
chaotisch verteilt sind, so dass Reflexionen in alle Richtungen gestreut
werden. Dadurch können
sich beispielsweise keine stehenden Wellen aufbauen, da sich die
reflektierten Druckwellen weitgehend selbst dämpfen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 7 ist die Dämpfungseinrichtung 7 mit
einem koaxialen Doppelrohr 9 ausgebildet, wobei das kleinere
Innenrohr ein Stück
in das größere Außenrohr
hineinragt. In dem überlappenden
Bereich weist das Innenrohr eine Perforation 12 auf, durch
die der Kraftstoff strömt.
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Die beiden Ausführungsbeispiele der 8 und 9 weisen Dämpfungseinrichtungen 7 auf,
bei denen Blechstreifen 14, 15 eingesetzt sind.
Im Fall der 8 sind die
Blechstreifen 14 unregelmäßig geformt und mit unterschiedlichen
Winkeln im Strömungskanal
angeordnet. Diese Anordnung kann auch als Stabfilter ausgebildet
sein, wobei neben der Dämpfung
auch eine Filterwirkung für
feste Partikel im Kraftstoff bewirkt werden kann. Dieses trifft
natürlich
auch auf die anderen Ausführungsbeispiele
zu.
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Bei der 9 sind die Bleche in Form von Lamellen 15 im
Strömungskanal
der Dämpfungseinrichtung 7 seitlich
versetzt angeordnet. Sie können dabei
zahnförmig
strukturiert sein, um einen möglichst
geringen Druckwiderstand zu bilden.
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Bei den beiden Ausführungsbeispielen
der 10 und 11 wird die Dämpfung dadurch
erzielt, dass der Kraftstoff durch eine Dämpfungseinrichtung 7 strömt, die
mit unterschiedlichen Querschnittsprüngen ausgebildet ist. Dadurch
werden die Amplituden der Druckwellen variiert, d.h. bei dieser
Anwendung wird in erster Linie eine Dämpfung vorgenommen.
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Die Ausführungsbeispiele der 12 und 13 zeigen eine Dämpfungseinrichtung 7 mit
mehreren Bogen beziehungsweise ei ne Wendel, so dass die Druckwellen
an den Wandungen ständig
gebrochen und reflektiert werden. Durch diese intensive Reflexion
werden die Druckwellen stark gedämpft
und ihre Energie absorbiert.
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Eine weitere alternative Lösung wird
gemäß 14 bei einer Dämpfungseinrichtung 7 mit
Einsätzen
gesehen, die als Trichter 16 ausgebildet ist. Der Trichter 16 ist
so gestaltet, dass die Druckwellen möglichst oft innerhalb des Trichters 16 reflektieren, bis
sie in Wärme
dissipieren.
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15 zeigt
schließlich
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei der die Dämpfungseinrichtung 7 mit
einem Rohrbündel
ausgebildet ist, das als Strömungsgleichrichter
wirkt. Bei diesem Rohrbündel werden
viele enge Rohrstücke
nebeneinander im Strömungskanal
angeordnet. Bei dieser Lösung
ist der Druckwiderstand sehr klein, so dass der Energieverlust entsprechend
gering ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist auch vorgesehen, die vorgeschlagenen Lösungen miteinander zu kombinieren.
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Die Dämpfungseinrichtung 7 wird
vorzugsweise am Ort der Entstehung der Druckwellen eingesetzt. Dies
kann beispielsweise zwischen der Hochdruckleitung und dem Injektor 1 beziehungsweise
innerhalb des Injektors 1 zwischen dem Hochdruckanschluss
und der Einspritzdüse
sein.