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Die
Erfindung geht aus von einer Kraftstoffeinspritzanlage nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Das Druckhalteventil mag auf
einen Druck von 0,5 bar relativ (d. h. gegenüber dem Umgebungsdruck der
Kraftstoffeinspritzanlage) eingestellt sein, und dient dann lediglich
dazu, das Leerlaufen einer den mindestens einen Injektor mit einer
Leckage-Sammelleitung (= Rücklaufrail)
verbindenden Leckageleitung und/oder der Leckage-Sammelleitung zu
verhindern. Bei einer solchen Anlage mag der Injektor mit einem
elektrisch betätigten
Magnetventil versehen sein, dass durch Verändern des Drucks in einer Steuerkammer
den Einspritzvorgang des Injektors steuert. Bei anderen Kraftstoffeinspritzanlagen mag
das Druckhalteventil beispielsweise auf einen Druck von 30 bar relativ
eingestellt sein. Bei diesen Anlagen ist der Injektor im allgemeinen
mit einem hydraulischen Koppler ausgerüstet, der durch einen Piezo-Aktor
betätigt
wird. Der hydraulische Koppler ist funktionsbedingt von Kraftstoff
umgeben, der unter dem genannten Druck von etwa 30 bar steht, damit der
hydraulische Koppler stets funktionsfähig ist. Bei beiden genannten
Kraftstoffeinspritzanlagen mag die Kraftstoffrückleitung direkt zum Kraftstofftank
des Verbrennungsmotors führen.
Bei einer Untergruppe der zuletzt genannten Kraftstoffeinspritzanlagen
ist die mit dem dem Injektor abgewandten Ende des Druckhalteventils
verbundene Leitung mit einer Verbindungsleitung zwischen einer den
Kraftstoff aus dem Kraftstofftank auf einen mäßigen Druck von z. B. 5 bar
anhebenden ersten Pumpe und dem Eingang einer Hochdruckpumpe verbunden.
Die Erfindung ist bei den oben genannten Anlagen verwendbar.
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Es
ist bekannt (
EP 0780
569 B1 ,
13B), am Druckspeicher
ein Ventil in die Hochdruckleitung zum Injektor einzuschalten, das
ein durch eine Feder vorgespanntes kugelförmiges bewegliches Ventilglied
aufweist. Dieses öffnet
bei einer Strömung
von Kraftstoff zum Injektor und schließt fast vollständig, wenn
kein Kraftstoff strömt.
Ein vollständiges
Schließen
ist dadurch verhindert, dass der im Querschnitt kreisförmige Ablauf
hinter dem Ventilsitz durch in Längsrichtung
verlaufende Nuten radial erweitert ist, die von dem beweglichen
Ventilteil nicht abgedeckt werden. Bei geschlossenem Ventil bildet
das Ventil somit eine Drossel, die, wie man unter Heranziehen des
Fachwissens erkennt, geeignet ist, die erste vom Injektor her auf
der Hochdruckleitung eintreffende Druckwelle zu dämpfen, und
die daher auch die Entstehung weiterer Druckschwankungen in der
Hochdruckleitung verhindern kann.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
gemäß dem Patentanspruch
1 besteht darin, dass ein von den Erfindern erkannter Nachteil verringert
oder vermieden wird. Dieser Nachteil beruht auf folgenden Vorgängen: Wenn
der Injektor einen Einspritzvorgang auslöst, strömt eine Steuermenge beim Betätigen des
oben genannten Steuerventils in die Leckageleitung ein und führt im laufendem
Betrieb dazu, dass sich das Gegendruckhalteventil öffnet und
im wesentlichen eine gleich große
Menge wie die Steuermenge durch das Druckhalteventil abfließt. Das
Einströmen
der genannten Steuermenge bewirkt einen Strömungsstoß in die Leckageleitung hinein
und löst
eine Druckwelle zum Gegendruckhalteventil hin aus, die dort bei
dessen Öffnen
als Unterdruckwelle reflektiert wird (Reflektionen einer Druckwelle
an einem offenen Leitungsende beziehungsweise einem Druckknoten
im Gegensatz zu einem Druckbauch erfolgen als Unterdruckwelle). Solche
Unterdruckwellen können
zu Kavitation führen,
die auf Dauer Schäden
am Injektor verursacht und dadurch dessen Lebensdauer verringert.
Kavitation tritt auf, wenn der Dampfdruck des Kraftstoffs unterschritten
wird. Es wird angenommen, dass die Gefahr von Kavitation umso größer ist,
je niedriger der normale Druck in der Leckage-Sammelleitung und somit
in den einzelnen Leckageleitungen der Injektoren ist. Die Gefahr
von Kavitation dürfte
dann besonders groß sein,
wenn eine Unterdruckwelle dann am Steuerventil eintrifft, wenn dieses
gerade in den Sperrzustand gelangt ist und daher wegen der plötzlichen
Unterbrechung der Strömung
aus dem Steuerventil heraus der Druck hinter dem Steuerventil ohnehin
den Dampfdruck des Kraftstoffs unterschreitet. Erfindungsgemäß werden
zum Leckageanschluss des Injektors vom Druckhalteventil her laufende
Unterdruckwellen abgeschwächt
oder verhindert.
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Unter
der Angabe, dass sich die Drossel in der Nähe des Druckhalteventils befinden
soll, wird Folgendes verstanden: der Abstand soll nicht so groß sein,
dass dadurch die Wirkung der Drossel bezüglich der Unterdrückung von
Unterdruckwellen störend beeinflusst
wird; außerdem
sollen die Leckagemengen mehrerer, vorzugsweise aller Injektoren,
die mit einem einzigen Druckhalteventil in Verbindung stehen, durch
die genannte Drossel fließen.
Die Drossel mag bei Ausführungsformen
der Erfindung vom Injektor her gesehen vor dem Druckhalteventil
angeordnet sein, oder hinter diesem, oder mit dem Ventilelement
des Druckhalteventils baulich vereinigt sein.
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Bei
erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der
zuletzt genannten Ausführungsform
ist ein Schieber vorgesehen, der vorzugsweise als Vollzylinder ausgebildet
ist, und in einer zu ihm passenden Aussparung, insbesondere Bohrung,
entgegen der Kraft einer Feder verschiebbar geführt ist und entgegen dieser
Federkraft verschoben werden muss, wenn aus der Leckagesammelleitung
durch das Druckhalteventil hindurch Treibstoff austreten soll. Bei
einer ersten Modifikation ist in der Wandung des Zylinders mindestens
eine Nut eingearbeitet, die bei Ruhezustand des Druckhalteventils
durch die Wandung der Bohrung an ihrem hinteren Ende verschlossen
ist und an ihrem vorderen Ende offen ist und bei ausreichend weit
verschobenem Zylinder mit ihrem hinteren Ende aus dem Bereich der
Bohrung herausgelangt, so dass die Nut, die gleichzeitig eine Drossel bildet,
insgesamt durchgängig
ist. Bei einer anderen Modifikation ist der Vollzylinder ohne Nuten
in seiner Wandung, statt dessen ist in der Wandung der Bohrung eine
Nut eingearbeitet, die zweckmäßig bei
Ruhezustand des Ventils an ihrem vorderen Ende von der Zylinderfläche des
Zylinders verschlossen ist, wogegen ihr hinteres Ende stets frei
ist, und bei ausreichend stark verschobenem Zylinder wird das vordere
Ende der Nut frei, die ebenfalls eine Drossel bildet. Bei einer
weiteren kombinierten Modifikation ist sowohl in der Wand des Zylinders
als auch in der Wand der Bohrung mindestens eine der oben genannten
Nuten vorhanden. Es versteht sich, dass statt einer einzigen Nut
auch mehrere Nuten vorhanden sein können.
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Bei
allen geschilderten Ausführungsformen ist
von Vorteil, dass sich die Drossel durch Austauschen im allgemeinen
eines einzigen Teiles bzw. bei Auswahl eines passenden derartigen
Teiles bei der Montage des Ventils an die Verhältnisse, die in einer bestimmten
Kraftstoffeinspritzanlage herrschen und für jeden Verbrennungsmotor im
allgemeinen bekannt sind, anpassen lässt. Es soll nämlich der
Wellenwiderstand der Drossel, bzw. beim Vorhandensein mehrerer Drosseln
der Kombination solcher Drosseln (wie erläutert eine Parallelschaltung
von Drosseln, aber auch eine Serienschaltung solcher Drosseln ist möglich) in
richtiger Weise angepasst sein.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Einspritzanlage
oder Einspritzvorrichtung werden anhand der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung einer
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
mit mehreren Injektoren und einem Druckhalteventil, in dessen Bereich eine
Drossel vorgesehen ist;
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2 die in der Anordnung der 1 vorgesehene Kombination
von Druckhalteventil und Drossel im vergrößerten Längsschnitt;
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3 eine bei einer anderen
Ausführungsform
der Erfindung vorgesehene, gegenüber 2 modifizierte Kombination
von Druckhalteventil und Drossel;
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4 eine bei einer weiteren
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage
anstatt der Ventilanordnung nach 2 und 3 vorgesehene Anordnung, bei
der eine Drossel in einer Wandung einer einen Vollzylinder gleitend
aufnehmenden Bohrung vorgesehen ist,
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5 eine gegenüber 4 modifizierte Ausführungsform
eines Druckhalteventils, das bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung eingebaut ist, und bei dem eine Drossel in der Wandung des
genannten Vollzylinders als Nut eingearbeitet ist, und
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6 wesentliche Komponenten
des in 1 eingesetzten
Injektors der Kraftstoffeinspritzanlage mit einem elektromagnetisch
betätigten
Steuerventil.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 weist eine Kraftstoffeinspritzanlage 1,
die im Beispiel für
Dieselkraftstoff vorgesehen ist, eine Anzahl von bekannten Injektoren 3 auf
(im Beispiel 6 Injektoren) die im Betrieb Kraftstoff durch
Einspritzöffnungen 5 (siehe 6) ins Innere eines jeweils
zugeordneten Brennraums eines Dieselmotors einspritzen. Ein Druckspeicher 7 wird
mit Kraftstoff unter hohem Druck (im Beispiel 1600 bar) über eine Leitung 8 gefüllt. Über jeweils
eine Hochdruckleitung 9 wird Kraftstoff einem Hochdruckanschluss 10 jedes Injektors 3 zugeführt. Leckagemengen
und Steuermengen der Injektoren, die bei der Betätigung eines Steuerventils
anfallen, das den Einspritzvorgang der Injektoren steuert, werden über je eine
Leckageleitung 11 von einem Niederdruckanschluss 12 einer Leckagesammelleitung 13 (Leckagerail)
zugeführt. Im
Beispiel sind die Injektoren 3 solche Injektoren, die durch
ein elektrisch betriebenes Magnetventil gesteuert werden, das bei
Betätigung
in bekannter Weise den Druck innerhalb einer Steuerkammer absenkt,
wodurch der Einspritzvorgang begonnen wird. Wenn sich dieses Steuerventil öffnet, tritt
Kraftstoff aus der genannten Steuerkammer aus und tritt in die Leckageleitung 11 ein.
In die Leckageleitung 13 führen alle Leckageleitungen
der gezeigten Injektoren. Ein Ende der Leckagesammelleitung 13 ist
geschlossen, das andere Ende, in 1 rechts,
ist über
ein Druckhalteventil 15 mit einer Rücklaufleitung 17 für den Kraftstoff
verbunden, und diese Rücklaufleitung 17 führt zum
Kraftstofftank. Aus dem Kraftstofftank wird in bekannter Weise Kraftstoff
angesaugt und mittels einer oder mehrerer Pumpen schließlich auf den
hohen Druck gebracht, mit dem der Kraftstoff dem Druckbehälter 7 zugeführt wird.
Das Druckhalteventil 15 öffnet im Beispiel bei einem Überdruck
innerhalb der Leckagesammelleitung 13 gegenüber dem
Druck in der Rücklaufleitung 17 von
etwa 0,5 bar. Dieser Druck von 0,5 bar dient dazu, zu verhindern,
dass die Leckageleitungen auslaufen. Soweit die Anordnung bisher
erläutert
worden ist, ist sie bekannt. Neu gegenüber dem Stand der Technik ist
bei der in 1 gezeigten
Anordnung, dass in der Nähe des
Gegenhalteventils 15 eine Drosseleinrichtung 20 vorgesehen
ist, die dazu dient, unerwünschte
Druckwellenreflexionen in der Leckagesammelleitung 13 weitgehend
zu verhindern.
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2 zeigt die in 1 vorgesehene Kombination
aus Drosseleinrichtung und Gegendruckhalteventil als eine Baueinheit 25.
Die Drosseleinrichtung ist durch eine einzige Drossel 27 gebildet,
die in einem bei der Montage passend auswählbaren Block 28 als
Bohrung eingebracht ist. Der Block 28 ist in Strömungsrichtung
der 1, also von links
nach rechts, stromaufwärts
des Gegendruckhalteventils angeordnet. Die Baueinheit 25 ist
in der Anordnung nach 1 durch
Schraubverbindungen druckdicht montiert.
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Die
in 3 gezeigte Kombination 30 von Gegendruckhalteventil
und Drosseleinrichtung unterscheidet sich von der 2 lediglich dadurch, dass die Drosseleinrichtung
stromabwärts
des eigentlichen Gegendruckhalteventils angeordnet ist.
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Die
Anordnungen nach 2 und 3 können bei Ausführungsformen
der Erfindung in völlig
gleich wirkender Weise durch geeignetes Verbinden, z. B. Verschrauben
von zwei separat hergestellten Teilen, verwirklicht werden, nämlich eines
Bauteils, das im wesentlichen lediglich die Drosselbohrung enthält, und
eines herkömmlichen
Gegendruckhalteventils.
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Bei
der Anordnung nach 4 bilden
die Drossel und das Gegendruckhalteventil eine voneinander nicht
trennbare Einheit. Die Ventilanordnung 40 öffnet wieder
bei einem Gegendruck auf der in 4 linken
Seite gegenüber
dem Druck auf der 4 rechten
Seite. Die Ventilanordnung ist im wesentlichen als Schieberventil
ausgebildet. Ein Schieber 41 (Vollzylinder) ist in Längsrichtung
der im wesentlichen kreiszylindrischen Ventilanordnung 40 durch
eine Führungsfläche geführt. Hierzu
ist der Schieber 41 in einer Bohrung 42 eines
Mittelstücks 43 entgegen
der Kraft einer Druckfeder 44 verschiebbar. In der in 4 gezeigten Ruhestellung
liegt der Schieber 41 an einer Anschlagvorrichtung 45 an,
die durch eine gelochte Platte gebildet ist und insgesamt den Durchfluss
des Treibstoffs nicht behindert. In der Wandung der Bohrung des
Teils 43 ist eine Längsnut 47 eingearbeitet,
die nach rechts hin offen ist, nach links hin aber vor dem Ende
des Schiebers 41 endet, so dass in der dargestellten Stellung
des Schiebers 41 Kraftstoff von links her nicht in die
Nut 47, die gleichzeitig die Drossel bildet, eintreten
kann. Wenn der Druck auf der linken Seite der 4 so groß ist, dass sich der Schieber 41 ausreichend
weit nach rechts verschiebt, wird schließlich die Nut 47 auch
an ihrem vorderen Ende frei und dort kann Kraftstoff eintreten und
durch die Nut 47 fließen,
so dass nun die Ventilanordnung offen ist. Funktionell kann man
die Drossel als hinter der Ventilöffnung liegend ansehen.
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Die
in 5 gezeigte Ausführungsform
einer Kombination 50 eines Ventils mit einer Drossel unterscheidet
sich von der in 4 gezeigten
lediglich dadurch, dass die eine Drossel bildende Nut 51 nun
an der zylindrischen Außenfläche des
Schiebers 52 angeordnet ist, wohingegen die Bohrung des
Teils 54 glatt ist. Hier ist die Nut 51 stets
nach links offen und ihr rechtes Ende wird erst dann für eine Durchströmung der
Nut freigegeben, wenn sich der Schieber 54 ausreichend
weit nach rechts verschoben hat. Funktionell kann man die Drossel
als vor der Ventilöffnung
liegend ansehen.
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Bei
einer nicht gezeigten Ausführungsform sind
sowohl eine Nut 47 gemäß 4, als auch eine Nut 51 gemäß 5 vorgesehen. In diesem
Fall dürfen
im Sperrzustand der Ventilanordnung die beiden Nuten nicht überlappen.
Diese Ausgestaltung der Ventilanordnung ermöglicht eine weitere Betätigung in
der Weise, dass zum Öffnen
des Ventils keine Verschiebung des Zylinders erforderlich ist, sondern eine
Drehung möglich
ist, oder aber bei einer anderen Ausführungsform nur eine geringe
Verschiebung aber demgegenüber
eine merkliche Verdrehung. Dies würde bedeuten, dass die Verschiebebewegung an
sich nicht zum zur Freigabe der Durchströmung der Drossel führt, aber
die mit der Verschiebung gekoppelte Drehung, bei der die Drosseln
Nuten in eine überlappende
Position kommen. Am einfachsten dürfte eine Betätigung durch
lineares Verschieben sein.
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Anhand
der 1 und 2 wird die Funktion der
Anordnung beschrieben. Es wird angenommen, dass sich in der Leckagesammelleitung 13 ein Druck
aufgebaut hat, der dazu führt,
dass bei einem etwas darüber
hinaus gehenden Druck das Gegendruckhalteventil 15 öffnet. Wird
nun in einem der Injektoren eine Einspritzung veranlasst, so geschieht dies,
wie oben erwähnt,
dadurch, dass ein Steuerventil geöffnet wird, welches das Ausströmen einer gewissen
Menge von Treibstoff (Steuermenge) aus einer Steuerkammer des Injektors
ermöglicht.
Das Ausströmen
erfolgt einerseits deswegen, weil bei üblichen Injektoren die Steuerkammer über eine
Drossel stets mit demjenigen Anschluss des Injektors in Verbindung
ist, der mit der Hochdruckleitung verbunden ist. Andererseits erfolgt
ein Ausströmen
auch deswegen, weil beim Öffnen
des genannten Ventils eine auf den Ventilkolben, der mit seinem
unteren Ende die Einspritzöffnungen
freigibt und verschließt, wirkende
Kraft zusätzlich
dazu führt,
dass Treibstoff aus der Steuerkammer herausgedrückt wird. Dieses Öffnen des
Steuerventils führt
zu einem plötzlichen Druckanstieg
in der Leckagesammelleitung. Dieser Druckanstieg öffnet das
Gegendruckhalteventil, dessen in den 1 und 2 nach rechts weisender Anschluss
dann ein offenes Leitungsende bildet, das die vom Injektor her eintreffende Überdruckwelle
als Unterdruckwelle reflektiert. Diese Reflexion wird durch die
Drosseleinrichtung gemildert und bei einer genau passenden Dimensionierung
der Drossel unterdrückt.
Für eine
derartige maximale Unterdrückung der
Reflexion ist für
die Drossel folgende Bemessung zweckmäßig: Bei der Erfindung tritt
die reflexionsverhindernde Wirkung der Drossel bei offenem (Kraftstoff
leitenden) Druckhalteventil auf. Bei gesperrtem Druckhalteventil
fließt
kein Treibstoff durch die Drossel.
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Im
Ausführungsbeispiel
hat die Leckagesammelleitung einen Wellenwiderstand von ca. 0,8 bar·ms/mm3. Der Durchflussbeiwert der Drossel hat einen
Wert von 660 cm3/min bei 100 bar Differenzdruck.
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Obige
Werte basieren auf einem runden Leitungsquerschnitt von 3 mm2 unter Verwendung von Dieselkraftstoff.
Demzufolge hat die in 2 vorgesehene
einzige Drossel, die als runde Bohrung ausgebildet ist, einen Durchmesser
von ca. 0,4 mm. Die Länge
der Drossel, die im Beispiel 1 mm beträgt, ist aufgrund praktischer
Erwägungen
gewählt;
ihre Länge
selbst ist für
die Funktion als Drossel weniger wesentlich.
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Wie 6 zeigt, weist der Injektor 3 einen hubgesteuerten
Ventilkolben 60 auf, dessen Bewegung durch den Druck in
einer Steuerkammer 62 gesteuert wird. Wird dieser Druck
durch Öffnen
eines (im Beispiel elektromagnetischen) Steuerventils 64 verringert,
so öffnet
der Ventilkolben 60 und es wird über die Einspritzöffnungen 5 Kraftstoff
in den Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Bei
dem bisher beschriebenen Beispiel wird der unter einem für die Einspritzung
geeigneten Druck stehende Kraftstoff von einem Druckspeicher den
Injektoren zugeführt.
Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Kraftstoffeinspritzanlagen
anwendbar, bei denen beim Steuern der Einspritzung eine Steuermenge
in der Leckageleitung einen Druckstoß verursacht. So sind beispielsweise
Anlagen bekannt, bei denen jedem Zylinder eine eigene Pumpe-Düse-Einheit (Unit Pump Injector)
zugeordnet ist. Eine Pumpe dieser Einheit mag bereits mit einem
gewissen Kraftstoffdruck versorgt werden, der aber für die Einspritzung
nicht ausreicht und von der Pumpe auf den erforderlichen Einspritzdruck
erhöht
wird. Da Beginn und/oder Ende der gewünschten Einspritzung nicht
immer mit der Dauer eines Pumphubs übereinstimmen, ist im Injektor
oder in der Pumpe ein zu einem Leckagekanal führendes Steuerventil angeordnet,
das während
der Dauer der gewünschten
Einspritzung gesperrt ist, so dass die Pumpe den Kraftstoff zu den
Einspritzöffnungen
fördern
kann. Wenn das Steuerventil geöffnet
wird, dann wird der von der Pumpe geförderte Kraftstoff zum Leckagekanal
abgeführt.
Auch hier entsteht ein Druckstoß in
der Leckageleitung beim Öffnen
des Steuerventils, aber auch dann, wenn beim Beginn eines Pumphubs
das Steuerventil bereits offen ist.