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Die
Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung
für einen
Injektor, der einen Aktor und eine Ventileinrichtung aufweist und
ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Prüfvorrichtung.
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Zur
Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Speichereinspritzsysteme
eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Bei diesen
Speichereinspritzsystemen wird Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe
in einen Hochdruckspeicher gefördert, von
dem aus der Kraftstoff über
Injektoren in die Brennkammern des Verbrennungsmotors eingespritzt
wird.
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Aus
DE 195 19 192 C1 ist
ein Injektor bekannt, der ein Einspritzventil aufweist, das hydraulisch
von einem Servoventil geöffnet
und geschlossen wird, um den zeitlichen Verlauf des Einspritzvorgangs
in die Brennkammer festzulegen. Das Servoventil wird hierbei von
einem piezoelektrischen Aktor betätigt.
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Um
einen optimalen Verbrennungsverlauf zu erzielen, wird ein Injektor
mit einer schnellen Schaltgeschwindigkeit und einer kleinen Einspritzmenge betrieben.
Hierzu ist es erforderlich, daß der
Injektor sehr genau eingestellt ist. Dies gilt insbesondere für den durch
den Aktor und das Servoventil festgelegten Leerhub des Injektors.
Diese Einstellung des Injektors wird herkömmlicherweise so vorgenommen, daß die genaue
Anordnung der einzelnen Komponenten des Injektors, insbesondere
deren Abstände zueinander,
die den Leerhub bestimmen, rechnerisch aus den Abmessungen dieser
Komponenten ermittelt werden. Hierzu muß aber jede Komponente einzeln vermessen
werden, was sehr zeitaufwendig ist. Eine solche Funktionsüberprüfung läßt sich
deshalb auch kaum im Rahmen einer Serienfertigung durchführen. Weiterhin
ist es für
ein zuverlässiges
Funktionieren des Injektors wichtig festzustellen, wie sich die
Einstellung des Injektors über
seine Lebensdauer verändert
bzw. wie sich Temperaturschwankungen auf die Einstellung des Injektors
auswirken. Eine Quantifizierung solcher Veränderungen erfolgt im Stand
der Technik bisher dadurch, daß der
Injektor nach dem Testlauf wieder ausgebaut, in seine Einzelteile
zerlegt und vermessen wird.
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Aus
DE 40 06 298 A1 ist
ein Injektor-Diagnosesystem bekannt, bei dem eine Steuereinheit
ein Pulssignal zum Steuern eines Injektors erzeugt, wobei ein Stromsensor
den beim Ansteuern des Aktors fließenden Strom mißt. Aus
der Abweichung des gemessenen Stroms von Referenzstromwerten wird
auf ein Betriebszustand des Injektors geschlossen, beispielsweise
auf einen im Normalbetrieb arbeitenden Injektor oder einen Defekt
im Aktor. Eine Beurteilungsvorrichtung entscheidet, ob die Kraftstoffzufuhr zum
Injektor unterbrochen wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Prüfvorrichtung für einen
Injektor, der einen Aktor und eine von einem Aktor betätigte Ventileinrichtung
aufweist, bereitzustellen, die mit minimalem Aufwand eine zuverlässige serientaugliche
Funktionsprüfung
des Injektors ermöglicht
und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Prüfvorrichtung
gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
7 gelöst.
Gemäß der Erfindung
wird ein bekannter Verlauf des durch einen Aktor im Injektor ausgelösten Stellvorgangs
der Ventileinrichtung im Injektor mit einem gemessenen Druckverlauf
im Injektor während
der Durchführung
eines solchen Stellvorgangs korreliert, um anhand des gemessenen Druckverlaufs
die Funktionseigenschaften des Injektors zu bestimmen. Aus dem gemessenen
Druckverlauf läßt sich
insbesondere der für
den Einspritzvorgang wichtige Leerhub im Injektor ermitteln, sowie Undichtigkeiten
im Injektor bestimmen. Darüber
hinaus läßt sich
die Prüfung
aufgrund ihres geringen zeitlichen Aufwandes in eine Serienfertigung
integrieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
der Prüfdruck
im Injektor vorzugsweise durch Einspeisen von Gas erzeugt, da hierdurch
eine verbesserte Prüfung
auf Undichtigkeiten ermöglicht
wird und Verunreinigungen des Injektors durch den Prüfvorgang
vermieden werden.
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Weiterhin
wird der Stellvorgang der Ventileinrichtung bei der Prüfung des
Injektors zeitlich verzögert
nach dem Einstellen des Prüfdrucks
im Injektor ausgelöst,
um zuverlässig
Undichtigkeiten im Injektor feststellen zu können.
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Vorzugsweise
wird darüber
hinaus der Aktor zum Auslösen
des Stellvorgangs der Ventileinrichtung im Injektor mit einem rampenförmigen Steuersignal
angesteuert, wodurch sich der zeitliche Ablauf des Stellvorgangs
im Injektor und der gemessene Druckverlauf im Injektor einfach korrelieren
lassen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung, die schematisch
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Prüfvorrichtung
für Kraftstoffinjektoren
zeigt, näher
erläutert.
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In
der Zeichnung ist eine Prinzipdarstellung eines Injektors 1 gezeigt,
dessen Funktion durch die Erfindung geprüft werden soll. Dieser Injektor 1 weist ein
im allgemeinen mehrteilig ausgelegtes Injektorgehäuse 11 auf,
das in der Zeichnung vereinfacht zweiteilig als Basisteil 12 und
Kopfteil 13 dargestellt ist. Dieses Injektorgehäuse 11 ist
weiterhin mit einer Führungsbohrung 14 versehen,
von deren unteren Ende sich durch das Injektorgehäuse 11 erstreckende
Einspritzlöcher 15 ausgehen.
In der Führungsbohrung 14 sind
weiterhin eine Steuerkammer 26 und eine Druckkammer 16 ausgebildet,
die beide über eine
Hochdruckzulaufbohrung 17 mit einem einen Stabfilter enthaltenden
Kraftstoffzulauf 18 verbunden sind.
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Im
unteren Abschnitt der Führungsbohrung 14 ist
beweglich eine Düsennadel 20 angeordnet,
die mit ihrem vorderen Dichtkonus 21 im Ruhezustand auf
einen am Ende der Führungsbohrung 14 ausgebildeten
Dichtsitz 19 drückt
und so die Einspritzlöcher 15 verschließt. Die
Düsennadel 20 ist
in ihrem oberen, im Bereich der Düsenkammer 16 liegenden
Abschnitt mit einer Druckschulter 22 versehen. Weiterhin
weist die Düsennadel 20 mit
ihrer Rückseite
in die Steuerkammer 26, wobei die Düsennadel 20 durch den
Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 26 mit einer Schließkraft beaufschlagt
wird.
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Der
obere Abschnitt der Führungsbohrung 14 ist
mit einem Kraftstoffrücklauf 29 verbunden
und enthält
ein Servoventil 23 mit einem konischen Ventilsitz 28 und
daran anschließende,
die Führungsbohrung 14 erweitende
Ventilkammer, in der eine Ventilkugel 27 und eine Ventilfeder 25 eingebracht
sind. Die Ventilfeder 25 liegt auf einem zur Steuerkammer 26 weisenden
Anschlag auf und drückt
die Ventilkugel 27 im Ruhezustand des Servoventils 23 auf
den konischen Ventilsitz 28, wodurch die Verbindung zwischen
der Steuerkammer 26 und dem Kraftstoffrücklauf 29 über die
Führungsbohrung 14 verschlossen ist.
Das Servoventil 23 dient dazu, durch Öffnen und Schließen der
Verbindung zwischen der Steuerkammer 26 und dem Kraftstoffrücklauf 29 den
auf die Rückseite
der Düsennadel 20 in
der Steuerkammer 26 wirkenden Kraftstoffdruck einzustellen
und damit den Einspritzvorgang zeitlich genau festzulegen. Weiterhin
weisen die Kraftstoffzulauf- und ablaufkanäle am Servoventil 23 nicht
weiter dargestellte Drosseln auf, von deren Ausbildung der zeitliche
Ablauf des Einspritzvorgangs abhängt.
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Das
Servoventil 23 ist weiter über einen Kolben 39 mit
einem Aktor 24 verbunden, der die Schaltzeiten des Servoventils 23 bestimmt.
Dieser Aktor 24 kann elektrisch angetrieben werden und
nach dem piezoelektrischen, elektromagnetischen oder magnetorestriktiven
Prinzip arbeiten. Es ist jedoch im Prinzip auch jede andere mögliche Aktorauslegung
geeignet, wenn sie für
ausreichend schnelle Schaltzeiten des Servoventils 23 sorgt.
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Der
in der Zeichnung dargestellte Injektor 1 funktioniert wie
folgt: Über
den Kraftstoffzulauf 18 und die Hochdruckzulaufbohrung 17 wird
Kraftstoff unter einem sehr hohen Druck in die Druckkammer 16 und
die Steuerkammer 26 eingespeist, die in der Führungsbohrung 14 ausgebildet
sind. Im geschlossenen Zustand des Servoventils 23, bei
dem die Ventilkugel 27 des Servoventils 23 auf
dem konischen Ventilsitz 28 aufliegt und die Verbindung
zwischen der Steuerkammer 26 und dem Kraftstoffrücklauf 29 unterbrochen
ist, übersteigt
die vom Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 26 auf die
Düsennadelrückseite ausgeübte Schließkraft,
die durch den Kraftstoffdruck im Druckraum 26 auf die Druckschulter 22 an
der Düsennadel 20 ausgeübte Gegenkraft,
so daß die
Düsennadel 20 mit
ihrem Dichtkonus 21 auf den Dichtsitz 19 am Ende
der Führungsbohrung 14 gedrückt wird
und die Einspritzlöcher 15 verschließt.
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Durch
Betätigen
des Aktors 24 steuert dieser Aktor das Servoventil 23 über den
Kolben 39 so an, daß die
Ventilkugel 27 des Servoventils 23 vom dem Ventilsitz 28 abhebt
und die Verbindung zwischen dem Steuerkammer 26 und dem
Kraft stoffrücklauf 29 über die
Führungsbohrung 14 freigibt.
Es fließt
dann Kraftstoff aus dem Steuerkammer 26 ab, wobei der Kraftstoffdruck
in der Steuerkammer 26 soweit absinkt, daß die vom
Kraftstoff auf die Druckschulter 22 der Düsennadel 20 ausgeübte Kraft
im Druckraum 16 die Schließkraft auf die Düsennadelrückseite übersteigt.
Die Düsennadel 20 hebt
dann mit ihrem Dichtkonus 21 vom Dichtsitz 19 in
der Führungsbohrung 14 ab,
wodurch Kraftstoff über
die Kraftstoffeinspritzlöcher 15 in
eine Brennkammer eingespritzt wird.
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Durch
Beenden der Aktorbetätigung
wird das Servoventil 23 wieder so angesteuert, daß das Servoventil 23 mit
seiner Ventilkugel 27 auf den Ventilsitz 28 zurückkehrt
und die Verbindung zwischen der Steuerkammer 26 und dem
Kraftstoffrücklauf 29 über die
Führungsbohrung 14 unterbrochen
wird. Der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 26 steigt
dann wieder soweit an, daß die
Schließkraft
auf die Düsennadelrückseite
die auf die Druckschulter 22 an der Düsennadel 20 vom Kraftstoff
im Druckraum 16 ausgeübte
Gegenkraft übersteigt,
so daß die
Düsennadel 20 mit
ihrem Dichtkonus 21 auf den Dichtsitz 19 an der
Führungsbohrung 14 gedrückt wird,
wodurch der Einspritzvorgang beendet wird.
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Da
der Kraftstoffinjektor sich durch eine hohe Lebensdauer sowie eine
hinreichende Stabilität
gegen Temperaturveränderungen
auszeichnen soll, ist es wichtig, eine zuverlässige Funktionsprüfung des Injektors
vorzugsweise im Rahmen einer Serienfertigung durchführen zu
können.
Insbesondere muß sich
dabei die Einstellung des Kraftstoffinjektors in bezug auf den Schaltvorgang
und die Einspritzmenge genau überprüfen lassen.
Dies gilt vor allem für den
durch das Servoventil 23 und den Aktor 24 bestimmten
Leerhub des Injektors. Gegebenenfalls sollte dann auch die Möglichkeit
bestehen, im Rahmen des Prüfverfahrens
die Komponenten des Injektors nachzustellen. Schließlich sollte
im Rahmen der Prüfung
auch zuverlässig
festgestellt werden können,
ob der Injektor insgesamt ausreichend dicht ist.
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Diese
Zielsetzungen wird durch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung erfüllt. Hierzu
wird, wie in der Zeichnung gezeigt ist, der Kraftstoffzulauf 18 des
Injektors 1 über
eine Druckleitung 31 an einen Druckerzeuger 30 angeschlossenen,
der im Ruhezustand bei geschlossener Düsennadel 20 im Injektor einen
vorbestimmten Druck einstellt. Der Druckerzeuger 30 speist
hierzu in den Injektor 1 vorzugsweise ein Gas ein, da sich
Gas gegenüber
Flüssigkeit durch
eine höhere
Viskosität
und somit eine verbesserte Prüfung
auf Undichtigkeiten auszeichnet. Weiterhin hat die Verwendung von
Gas den Vorteil, daß die
Einzelteile des Injektors bei einem festgestellten Defekt bzw. einer
Undichtigkeit nicht aufwendig vor einer Reparatur gereinigt werden
müssen.
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In
der Druckleitung 31 ist nach dem Druckerzeuger 30 weiter
ein Drucksensor 32 angeordnet, der den im Injektor 1 herrschenden
Druck laufend messen kann. Die Prüfvorrichtung 3 weist
darüber
hinaus eine Betägigungseinrichtung
auf, vorzugsweise einen Signalgenerator 33, der über Ansteuerleitungen 34 mit
den Steueranschlüssen
des Aktors 24 im Injektor 1 verbunden ist. Der
Signalgenerator 33, der Drucksensor 32 und der
Druckerzeuger 30 sind über Signalleitungen 35a, 35b, 35c in
der Prüfvorrichtung 3 mit
einer Auswerteeinheit 36 verbunden. Diese Auswerteeinheit 36 kann
weiterhin, wie in der Zeichnung gezeigt, über eine Signalleitung 35d mit
einer Nachstelleinheit 4 verbunden sein, die wiederum am Injektorgehäuse 11 angreifen
kann, um die Abstände zwischen
einzelnen Komponenten des Injektors 1 nachzustellen.
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Die
in der Zeichnung gezeigte Prüfvorrichtung 3 arbeitet
wie folgt: Die Auswerteeinheit 36 steuert über die
Signalleitung 35a den Druckerzeuger 30 an, damit
dieser Gas in den Injektor 1 einspeist und so im Injektor
den vorbestimmten Druckwert, der vorzugsweise im Bereich von 5 bis
100 bar liegt, einstellt. Die Einstellung des Druckwertes wird vom Drucksensor 23 über die
Signalleitung 35b an die Auswerteeinheit 36 zurückgemeldet,
woraufhin die Auswerteeinheit 36 die Verbindung zwischen
dem Druckerzeugers 30 und dem Injektor 1 zum Beispiel über ein
im Druckerzeugerausgang integriertes Absperrventil unterbricht.
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Gleichzeitig
triggert die Auswerteeinheit 36 über die Signalleitung 35c den
Signalgenerator 33, damit dieser ein vorgegebenes Ansteuersignal über die
Ansteuerleitungen 34 an den Aktor 24 abgibt. Dieses
Ansteuersignal bewirkt, daß der
Aktor 24 über den
Kolben 39 das Servoventil 23 mit einem vorbestimmten
zeitlichen Ablauf so betätigt,
daß die
Ventilkugel 27 des Servoventils 23 vom Ventilsitz 28 abhebt
und die Verbindung zwischen der Steuerkammer 26 und dem
Kraftstoffrücklauf 29 über die
Führungsbohrung 14 freigibt,
wodurch Gas aus dem Injektor 1 ausströmt. Dies führt dazu, daß der eingestellte
Gasdruck im Injektor 1 absinkt. Während des gesamten Stellvorgangs
der Servoventils 23 wird durch den Drucksensor 32 fortlaufend
der Druck im Injektor 1 ermittelt und an die Auswerteeinheit 36 weitergegeben.
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Die
Auswerteeinheit 36 korreliert die gemessenen Druckwerte
mit dem zeitlich vorbestimmten Ablauf des Stellvorgangs und bestimmt
aus einem Vergleich des Druckverlaufs im Injektor 1 mit
vorgespeicherten Musterverläufen
die Funktionseigenschaft des Servoventils 23. Hierbei kann
der gemessene Druckverlauf direkt ausgewertet oder aber auch vor
einer Auswertung erst mathematisch weiterverarbeitet werden. Es
kann zum Beispiel die Ableitung des gemessenen Druckverlaufs bestimmt
oder auch bestimmte prozentuale Veränderungen im gemessenen Druckwert
in bezug auf den Ausgangsdruckwert ermittelt werden. Die in der
Auswerteeinheit 36 vorgespeicherten Vergleichsmuster können neben
einem Vergleichsmuster, der einen gewünschten idealen Druckverlauf
für den
zeitlich vorgegebenen Stellvorgang des Servoventils 23 wiedergibt,
auch Fehlermusterverläufe
enthalten, anhand derer sich dann genau feststellen läßt, wo ein
Funktionsfehler aufgetreten ist. Die Auswerteeinheit 36 kann
dann auch eine automatische Fehlerdiagnose ausführen und gegebenenfalls über die
Signalleitung 35d die mit dem Injektor 1 verbundene
Nachstelleinrichtung 4 ansteuern, die den ermittelten Fehler
dann beseitigen kann. Wenn zum Beispiel anhand des ermittelten Druckverlaufs
festgestellt wird, daß der
vom Aktor 24 und dem Servoventil 23 bestimmt Leerhub
falsch eingestellt ist, kann die Nachstel leinrichtung 4 durch Verändern des
Abstandes zwischen dem Aktor 24 und dem Servoventil 23 diesen
Leerhub auf den gewünschten
Wert einstellen.
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In
der Zeichnung ist ein Druckverlauf im Injektor 1 dargestellt,
wie er vom Drucksensor 32 für den ebenfalls dargestellten
zeitlichen Verlauf des Ansteuersignals des Signalgenerators 33 im
Idealfall zu erwarten ist. Das Ansteuersignal des Signalgenerators 33 ist
dabei – wie
dargestellt – vorzugsweise rampenförmig ausgelegt,
wobei erst bei einem vorgebenen Signalpegel das Servoventil 23 öffnet. Dieser Signalverlauf
vereinfacht die Korrelation zwischen dem zeitlichen Verlauf des
Stellvorgangs und dem gemessenen Druckverlauf. Weiterhin wird der
Signalgenerator 33 von der Ansteuereinheit 36 vorzugsweise
um 0,5 bis 2 Sekunden nach Abschluß des Druckerzeugungsvorgangs
im Injektor 1 durch den Druckerzeuger 30 zeitlich
verzögert
ausgelöst,
um so Dauerleckagen im Injektor, die sich durch einen Druckabfall
vor dem eigentlichen Stellvorgang des Servoventils 23 im
vom Drucksensor 32 gemessenen Druckverlauf niederschlagen,
bestimmen zu können.
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Mit
dem dargestellten Prüfvorgang
wird im wesentlichen nur die Funktion des Servoventils 23 geprüft, da der
vom Druckerzeuger 30 im Injektor 1 erzeugte Gasdruckwert
von 5 bis 100 bar nicht ausreicht, die Düsennadel 20 gegen
den Haltedruck einer nicht dargestellten Düsenfeder, die die Düsennadel 20 gegen
den Dichtsitz 19 preßt,
zu öffnen.
Es ist jedoch prinzipiell möglich,
den im Injektor 1 vom Druckerzeuger 30 hervorgerufenen
Druck soweit zu erhöhen,
daß der
gesamte Einspritzvorgang einschließlich Abheben der Düsennadel 20 simuliert
und durch Korrelieren mit dem während
des Einspritzvorgangs gemessenen Druckverlauf geprüft wird.
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Weiterhin
besteht auch die Möglichkeit
mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung
den Injektor 1 ausschließlich auf seinen Dichtheit
zu prüfen,
indem nach Einstellung des Druckwertes im Injektor 1 durch
den Druckerzeuger 30 von der Auswerteeinheit 36 die
Verbindung zwischen dem Druckerzeuger 30 und dem Injektor 1 über das
im Druckerzeugerausgang integrierte Absperrventil unterbrochen und der
Druck im Injektor 1 für
eine vorbestimmte Zeitdauer vom Drucksensor 32 gemessen
wird. Anhand dieses gemessenen Druckverlauf kann die Auswerteeinheit 36 dann
Undichtigkeiten feststellen.
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Bei
der in der Zeichnung dargestellten Prüfvorrichtung 3 ist
der Drucksensor 32 an den Kraftstoffzulauf 18 im
Injektor 1 angeschlossen und mißt so den durch den Einspritzvorgang
im Injektor hervorgerufenen Druckabfall. Alternativ kann der Drucksensor
auch z.B. an einem Kraftstoffrücklauf 29 des Injektors 1 angeschlossen
werden, um einen durch den Stellvorgang des Servoventils 23 ausgelösten Druckaufbau
in dem Kraftstoffrücklauf 29 festzustellen,
so daß die
Auswerteeinheit 36 dann aus dem Verlauf des Druckaufbaus
anhand vorgegebener Musterverläufe
auf die Funktionsfähigkeit
des Injektors 1 schließen
kann. Der Druckerzeuger 30 kann weiterhin auch ohne Zwischenschaltung
einer Druckleitung direkt an den Zulaufanschluß 18 des Injektors 1 angeschlossen
werden, um so das vom Druckerzeuger hergestellte Druckvolumen minimal
zu halten und einen maximalen Druckabfall im Injektor durch den
Stellvorgang hervorzurufen. Die gesamte Prüfvorrichtung 3 kann
weiterhin in einem Gehäuse
integriert werden, in das dann der Injektor 1 eingesetzt werden
kann.
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Die
erfindungsgemäße Prüfvorrichtung zeichnet
sich durch eine hohe Serientauglichkeit aus, da nur eine kurze Zeitprüfung notwendig
ist, und darüber
hinaus eine automatische Auswertung erfolgen kann.