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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine
mit Kraftstoffdirekteinspritzung, mit mindestens einer Druckbeaufschlagungseinrichtung,
mit einem Hochdruckbereich, welcher von der Druckbeaufschlagungseinrichtung
wenigstens zeitweise mit Druck beaufschlagt wird, und mit mindestens
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, von der der Kraftstoff in
einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt und welche an den
Hochdruckbereich angeschlossen ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein solches Kraftstoffsystem.
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Ein
Verfahren und ein Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art sind
vom Markt her sowohl bei Diesel- als auch bei Benzin-Brennkraftmaschinen bekannt.
Bei diesen wird der Kraftstoff von einer Fördereinrichtung in eine Kraftstoff-Sammelleitung
gefördert,
in der er unter hohem Druck gespeichert ist. An die Kraftstoff-Sammelleitung
sind mehrere Injektoren angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in
ihnen zugeordnete Brennräume
einspritzen. Um eine gute Zerstäubung
des Kraftstoffes bei der Einspritzung in den Brennraum zu erreichen,
ist ein hoher Einspritzdruck gewünscht.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren und ein Kraftstoffsystem
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit ihnen in unterschiedlichen
Betriebssituationen der Brennkraftmaschine schnell und präzise ein
gewünschter Kraftstoffdruck
bereitgestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass mindestens ein hydraulisch wirksames Volumen des Hochdruckbereichs
und/oder eine Temperatur des im Hochdruckbereich vorhandenen Kraftstoffs
abhängig von
der Betriebssituation verändert
wird.
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Bei
einem Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art wird die gestellte
Aufgabe dadurch gelöst,
dass eine Beeinflussungseinrichtung vorhanden ist, mit der mindestens
ein hydraulisch wirksames Volumen des Hochdruckbereichs und/oder
eine Temperatur des im Hochdruckbereich vorhandenen Kraftstoffs
abhängig
von der Betriebssituation beeinflusst werden kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass mit einigen üblichen
Mitteln in einigen Betriebssituationen der Brennkraftmaschine ein
gewünschter
Druck nicht schnell genug oder überhaupt
nicht erreicht werden kann. So liegt beispielsweise beim Start der Brennkraftmaschine
oft nur eine geringe Fördermenge
der Fördereinrichtung
vor, welche den Kraftstoff in den Hochdruckbereich fördert, was
einen für
eine feine Kraftstoffzerstäubung
erforderlichen Druckaufbau erschwert. Erfindungsgemäß wird daher
die Beeinflussung von thermodynamischen Parametern vorgeschlagen,
welche technisch einfach realisiert werden kann und den im Hochdruckbereich
herrschenden Druck beeinflusst, ohne dass die Fördermenge in den Hochdruckbereich
hinein erhöht
werden muss.
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Dabei
wird unter dem hydraulisch wirksamen Volumen jenes Volumen des Hochdruckbereichs
verstanden, aus dem die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bei einer
Einspritzung primär
den Kraftstoff entnimmt. Durch eine Veränderung dieses hydraulisch
wirksamen Volumens und/oder der Temperatur des im Hochdruckbereich
vorhandenen Kraftstoffs kann entsprechend der üblichen thermodynamischen Zustandsgleichungen
der Druck im Hochdruckbereich auf einfache Art und Weise und darüber hinaus
sehr schnell abhängig
von einer bestimmten Betriebssituation beeinflusst werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Eine
erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
mindestens unmittelbar vor einer anfänglichen Druckbeaufschlagung des
Hochdruckbereichs, beim Start der Brennkraftmaschine, das hydraulisch
wirksame Volumen des Hochdruckbereichs gegenüber dem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine
reduziert ist. Somit reicht bereits eine kleine Fördermenge
von Kraftstoff in den Hochdruckbereich hinein aus, um dort einen
deutlichen Druckanstieg zu bewirken. Gerade bei den allerersten
Einspritzungen beim Start der Brennkraftmaschine ist zur Senkung
der Emissionen bereits ein hoher Kraftstoffdruck wünschenswert.
Dies wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht, ohne dass
beispielsweise eine Zusatz-Startpumpe für den Kraftstoff
erforderlich ist, oder eine solche Startpumpe kann vergleichsweise
klein ausgelegt werden.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass ein erstes Teilvolumen
des Hochdruckbereichs mindestens unmittelbar vor dessen anfänglicher Druckbeaufschlagung
von einem zweiten Teilvolumen hydraulisch getrennt wird. Eine solche
Zweiteilung des Hochdruckbereichs ist technisch einfach realisierbar.
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Während des
Betriebs der Brennkraftmaschine kann das hydraulisch wirksame Volumen
des Hochdruckbereichs vergrößert werden.
Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass im Normalbetrieb
der Brennkraftmaschine eine Fördereinrichtung,
welche den Hochdruckbereich mit Kraftstoff speist, eine vergleichsweise
große
Förderleistung
erbringen kann, so dass eine solche Volumenvergrößerung des Hochdruckbereichs
möglich
ist, ohne dass ein unerwünschter
Druckabfall im Hochdruckbereich zu befürchten ist. Ein großes Volumen
hilft jedoch, Druckschwankungen zu reduzieren.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das hydraulisch wirksame
Volumen während
eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine vergrößert wird,
in dem kein Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Somit
muss eine Fördereinrichtung, welche
den Hochdruckbereich mit Kraftstoff speist, nur eine solche Kraftstoffmenge
zusätzlich
fördern, welche
der Volumenvergrößerung des
Hochdruckbereichs entspricht. Die Fördereinrichtung kann daher vergleichsweise
klein bauen.
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Vorgeschlagen
wird dabei, dass das hydraulisch wirksame Volumen allmählich vergrößert wird. Eine
solche allmähliche
beziehungsweise langsame Volumenvergrößerung kann durch eine erhöhte Förderleistung
einer den Hochdruckbereich speisenden Fördereinrichtung leicht kompensiert
werden, ohne dass diese Fördereinrichtung
hierzu besonders groß bauen
beziehungsweise besonders leistungsstark sein muss.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich
dadurch aus, dass die Strömung
zwischen dem ersten Teilvolumen und dem zweiten Teilvolumen des
Hochdruckbereichs zumindest zeitweise gedrosselt wird. Hierdurch
wird auf besonders einfache Art und Weise ein hydraulisch wirksames
Teilvolumen des Hochdruckbereichs geschaffen, welches kleiner ist
als das Gesamtvolumen des Hochdruckbereichs, und in dem beispielsweise
beim Einschalten einer Fördereinrichtung
beim Start der Brennkraftmaschine der Druck daher besonders schnell
ansteigt. Bei langsamen Druckänderungen
im Hochdruckbereich dagegen, wie sie im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine auftreten,
wirkt die Drossel weniger stark, so dass in diesem Fall im Wesentlichen
das Gesamtvolumen des Hochdruckbereichs hydraulisch wirkt.
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Eine
erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems sieht
vor, dass der Hochdruckbereich mindestens ein erstes und ein zweites Teilvolumen
umfasst, und dass die Beeinflussungseinrichtung eine Trenneinrichtung
umfasst, welche ein zweites Teilvolumen des Hochdruckbereichs mindestens
unmittelbar vor einer anfänglichen
Druckbeaufschlagung des Hochdruckbereichs von einem ersten Teilvolumen
hydraulisch wenigstens in einem gewissen Umfang trennen kann. Bezüglich der
Vorteile eines solchen Kraftstoffsystems wird auf die bereits oben genannten
Vorteile der Aufteilung des Gesamtvolumens des Hochdruckbereichs
in einzelne Teilvolumina verwiesen.
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Eine
konkrete Ausgestaltung einer solchen Trenneinrichtung kann in einem
Sperrventil, verzugsweise einem Schieberventil, bestehen. Ein solches ist
preiswert und baut klein.
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Vorgeschlagen
wird auch, dass ein Fluidweg, welcher die beiden Teilvolumina miteinander verbindet,
einen Querschnitt aufweist, welcher mindestens 50 % des Querschnitts
des ersten oder des zweiten Teilvolumens beträgt. Dies hat zur Folge, dass
dann, wenn die beiden Teilvolumina miteinander verbunden sind, diese
als ein gemeinsames gleichwirkendes Gesamtvolumen anzusehen sind, was
im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine Druckschwankungen im Hochdruckbereich
zu vermeiden hilft.
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Möglich ist
aber auch, dass die Trenneinrichtung eine Strömungsdrossel umfasst. Eine
solche ist preiswert und arbeitet weitgehend verschleißfrei, und eine
Ansteuerung kann entfallen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Hochdruckbereich eine Kraftstoff-Sammelleitung
umfasst und die Trenneinrichtung zwischen zwei Teilvolumina der
Kraftstoff-Sammelleitung
angeordnet ist. In diesem Fall baut das Kraftstoffsystem besonders
kompakt und separate Leitungen können
entfallen. Als Trenneinrichtung kommt hier beispielsweise das oben
genannte Schieberventil in Frage, welches zum Start der Brennkraftmaschine
das erste Teilvolumen vom zweiten Teilvolumen trennt.
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Möglich ist
auch, dass das zweite Teilvolumen und/oder die Beeinflussungseinrichtung
in einem Druckspeicher angeordnet sind/ist. Auf diese Weise kann
durch eine entsprechende Betätigung der
Trenneinrichtung der Druck im ersten Teilvolumen erhöht werden,
noch ohne dass eine den Hochdruckbereich speisende Fördereinrichtung
in Gang gesetzt ist. Hierdurch wird ein besonders sicherer Start
der Brennkraftmaschine bereits bei den ersten Einspritzungen ermöglicht.
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Um
auch über
einen längeren
Zeitraum eine sichere Abdichtung zwischen den beiden Teilvolumina
zu gewährleisten,
wird in Weiterbildung hierzu vorgeschlagen, dass die Trenneinrichtung
ein Sperrventil mit einem Ventilelement mit einem Dichtring umfasst,
welcher mit einem Ventilsitz zusammenarbeitet, der sich zu einem
wenigstens zeitweise einen geringeren Druck aufweisenden Teilvolumen
hin verjüngt.
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Besonders
einfach baut ein solcher Druckspeicher dann, wenn er ein im Wesentlichen
starres Speichervolumen umfasst.
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Alternativ
hierzu kann der Druckspeicher ein Speichervolumen umfassen, welches
wenigstens bereichsweise von einer beweglichen Wand begrenzt wird,
auf deren anderer Seite ein Gasvolumen eingeschlossen ist. Die Beaufschlagung
der beweglichen Wand mittels eines Gasvolumens ist nahezu verschleißfrei, und
sie kann preiswert realisiert werden. Darüber hinaus kann ein solches
Gasvolumen stark komprimiert werden, so dass es im komprimierten Zustand
nur wenig Platz einnimmt. Dies gestattet eine vergleichsweise kompakte
Konstruktion des Druckspeichers.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn die bewegliche Wand eine flexible,
vorzugsweise elastische Membran umfasst. Hierdurch werden Abdichtungsprobleme
eliminiert, was eine hohe Lebensdauer des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems
und eine hohe Sicherheit im Betrieb ermöglicht.
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Eine
nochmalige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems sieht
vor, dass auf der dem Hochdruckbereich zugewandten Seite der Membran
ein Sperrelement angeordnet ist, welches mit einem flächigen Bereich
an der Membran anliegt und in einer Stellung verriegelt werden kann,
in der das eingeschlossene Gasvolumen komprimiert ist. Auf diese
Weise kann auf ein Sperrelement zwischen dem Druckspeicher und dem
anderen Teilvolumen des Hochdruckbereichs verzichtet werden.
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Die
Verriegelung kann dadurch erfolgen, dass das Sperrelement eine Ausnehmung
aufweist, welche mit einer vorzugsweise elektromagnetisch betätigbaren
Sperrklinke zusammenarbeitet. Dies ist technisch einfach realisierbar.
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Um
Beschädigungen
der Membran zu vermeiden, wenn diese vollständig entspannt ist, wird erfindungsgemäß auch vorgeschlagen,
dass auf der dem Hochdruckbereich zugewandten Seite der Membran
ein Anschlag vorhanden ist, welcher die Bewegung der Membran zum
Hochdruckbereich hin begrenzt. Vor allem ein Platzen der Membran
durch eine zu starke Ausdehnung dann, wenn im Hochdruckbereich nur
ein sehr geringer Druck herrscht, wird hierdurch vermieden.
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Eine
weitere Möglichkeit,
das hydraulisch wirksame Volumen des Hochdruckbereichs zu beeinflussen,
besteht darin, dass die Beeinflussungseinrichtung einen Kolben umfasst,
welcher bei einer Betätigung
in einer ersten Richtung das Volumen des Hochdruckbereichs reduziert
und welcher in einer zweiten, das Volumen des Hochdruckbereichs
vergrößernden
Richtung, gesteuert bewegbar ist. Ein solcher Kolben kann entweder
nur dazu verwendet werden, um vor dem Start der Brennkraftmaschine das
hydraulisch wirksame Volumen im Hochdruckbereich zu verringern und
so einen schnelleren Druckaufbau zu ermöglichen, oder durch die Bewegung des
Kolbens kann selbst eine Kompression des im Hochdruckbereich vorhandenen
Kraftstoffs herbeigeführt
werden, welche zu einer entsprechenden Druckerhöhung im Hochdruckbereich führt.
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Eine
gesteuerte Bewegung des Kolbens in einer das Volumen des Hochdruckbereichs
vergrößernden
Richtung gestattet es, im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ein
vergleichsweise großes
hydraulische wirksames Volumen bereitzustellen, welches Druckschwankungen
im Hochdruckbereich zu vermeiden hilft, ohne dass bei der Bewegung
des Kolbens selbst der Druck im Hochdruckbereich nachteilig beeinflusst
wird.
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Eine
besonders einfache konstruktive Ausgestaltung eines solchen Kolbens
sieht vor, dass der Kolben mit einem Spindelantrieb verbunden ist.
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Möglich ist
auch, dass der Kolben auf eine Membran wirkt, welche den Hochdruckbereich
begrenzt. Hierdurch werden Abdichtungsprobleme reduziert.
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Vorgeschlagen
wird auch, dass der Kolben in der zweiten Richtung langsamer bewegt
wird als in der ersten Richtung. Somit wird ein schneller Druckaufbau
beziehungsweise eine schnelle Bereitstellung eines verringerten
Volumens für
den Druckaufbau ermöglicht,
und gleichzeitig wird während
des normalen Betriebs eine langsame Vergrößerung des Volumens des Hochdruckbereichs
erreicht, was im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine von einer üblichen
Fördereinrichtung
leicht ausgeglichen werden kann, ohne dass es zu einem Druckeinbruch
im Hochdruckbereich kommt.
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Eine
nochmals alternative Ausführungsform eines
Kraftstoffsystems kann als Beeinflussungseinrichtung eine Heizeinrichtung
umfassen, mit der die Temperatur des im Hochdruckbereich eingeschlossenen
Kraftstoffs vor dem Starten der Brennkraftmaschine erhöht werden
kann. Somit sind keinerlei beweglichen Teile erforderlich, um die
Druckerhöhung im
Startfall der Brennkraftmaschine herbeizuführen, was eine besonders lange
Lebensdauer des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems
erwarten lässt. Darüber hinaus
wird die Zerstäubung
des eingespritzten Kraftstoffs bei einer erhöhten Temperatur des Kraftstoffs
verbessert, was ein besseres Startverhalten insbesondere mit günstigeren
Emissionen ermöglicht.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffsystems einer
Brennkraftmaschine;
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2 eine
Darstellung ähnlich 1 eines zweiten
Ausführungsbeispiels;
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3 eine
teilweise geschnittene Darstellung eines Sperrventils des Kraftstoffsystems
von 2;
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4 eine
Darstellung ähnlich 1 eines dritten
Ausführungsbeispiels;
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5 eine
Darstellung ähnlich 1 eines vierten
Ausführungsbeispiels;
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6 eine
Darstellung ähnlich 1 eines fünften Ausführungsbeispiels;
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7 einen
teilweisen Schnitt durch einen Druckspeicher des Kraftstoffsystems
von 6 in einem ersten Betriebszustand;
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8 eine
Darstellung ähnlich 7 des Druckspeichers
in einem zweiten Betriebszustand;
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9 eine
Darstellung ähnlich 1 eines sechsten
Ausführungsbeispiels;
und
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10 eine
Darstellung ähnlich 1 eines siebten
Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Ein
Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine elektrische Vorförderpumpe 14 den
Kraftstoff fördert.
Die Vorförderpumpe 14 wird von
einem Elektromotor 16 angetrieben. Sie verdichtet den Kraftstoff
auf einen Vorförderdruck
und fördert ihn
zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18.
Diese wird mechanisch von der Brennkraftmaschine angetrieben, zu
welcher das Kraftstoffsystem 10 gehört. Die Brennkraftmaschine
selbst ist im Detail in 1 nicht dargestellt.
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Die
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 komprimiert den Kraftstoff
im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine auf einen sehr hohen Druck
und fördert
ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung 20,
welche auch als "Rail" bezeichnet wird.
In dieser ist der Kraftstoff im Normalbetrieb unter hohem Druck
gespeichert. An die Kraftstoff-Sammelleitung 20 sind mehrere
Injektoren 22 angeschlossen, welche den Kraftstoff direkt
in ihnen zugeordnete Brennräume
einspritzen. Diese sind in 1 insgesamt
mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichnet.
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Der
in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 herrschende Druck wird
von einem Drucksensor 26 erfasst. Er liefert entsprechende
Signale an eine Steuer- und Regeleinheit 28, welche wiederum
unter anderem den Elektromotor 16, welcher die Vorförderpumpe 14 antreibt,
ansteuert. Die Steuer- und Regeleinheit 28 erhält auch
Signale von einem Sensor 30. Bei diesem kann es sich entweder
um einen Signalgeber einer Fahrertür eines Kraftfahrzeugs handeln, in
welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist, oder um einen Signalgeber
eines Zündschlosses
eines solchen Kraftfahrzeugs.
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Insbesondere
die Kraftstoff- Sammelleitung 20 ist Teil eines insgesamt
mit dem Bezugszeichen 32 versehenen Hochdruckbereichs.
Hierunter wird insgesamt jener Bereich verstanden, in dem im Normalbetrieb
der Brennkraftmaschine der von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 erzeugte
hohe Kraftstoffdruck vorliegt. Die Kraftstoff- Sammelleitung 20 verfügt über ein
Schieberventil 34. Mit diesem kann, wie weiter unten noch
stärker
im Detail erläutert
ist, das Gesamtvolumen der Kraftstoff- Sammelleitung 20 in
zwei Teilvolumina 36 und 38 unterteilt werden (der
Drucksensor 26 ist in dem Teilvolumen 30 zugeordnet).
Hierzu verfügt
das Schieberventil 34 über
einen Ventilschieber 40, der über einen elektromagnetischen
Aktor 42 betätigt
wird. Dieser wird wiederum von der Steuer- und Regeleinheit 28 angesteuert.
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Die
Brennkraftmaschine mit dem Kraftstoffsystem 10 von 1 arbeitet
folgendermaßen:
Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ist der Ventilschieber 40 geöffnet. Der
Querschnitt der Öffnung beträgt dabei
mindestens 50% des Querschnitts der Teilvolumina 36 und 38.
Das hydraulisch wirksame Volumen der Kraftstoff- Sammelleitung 20 setzt
sich in diesem Betriebszustand also aus den beiden Teilvolumina 30 und 38 zusammen
(hydraulisch wirksam bedeutet, dass der von den Injektoren 22 in
die Brennräume 24 eingespritzte
Kraftstoff primär
aus diesem Volumen entnommen wird).
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Ein
Start der Brennkraftmaschine wird vom Signalgeber 30 erfasst.
In diesem Fall steuert die Steuer- und Regeleinheit 28 den
elektromagnetischen Aktor 42 so an, dass der Ventilschieber 40 in die
geschlossene Stellung bewegt wird, in welcher das in 1 rechte
Teilvolumen 38 vom linken Teilvolumen 36 fluidisch
vollkommen getrennt ist. Das hydraulische wirksame Volumen der Kraftstoff-Samelleitung 20 besteht
nun nur noch aus dem Teilvolumen 36, ist also kleiner als
bei geöffnetem
Schieberventil 34 (dieses beeinflusst also das hydraulisch wirksame
Volumen und wird daher auch als "Beeinflussungseinrichtung" bezeichnet). Nun
wird von der Steuer- und Regeleinheit 28 der Elektromotor 16 in Betrieb
gesetzt, so dass die Vorförderpumpe 14 Kraftstoff
aus dem Kraftstoffbehälter 12 fördert. Gleichzeitig
oder kurze Zeit später
wird ein Anlasser der Brennkraftmaschine betätigt, so dass auch die Hochdruck-
Kraftstoffpumpe 18 zu fördern
beginnt.
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Da
das hydraulisch wirksame Volumen der Kraftstoff-Sammelleitung 20 gegenüber dem
Normalbetrieb der Brennkraftmaschine verringert ist, muss weniger
Kraftstoff in die Kraftstoff-Sammelleitung 20 gefördert werden,
um dort einen Druckaufbau zu erzielen. Dieser Druckaufbau geht daher
schneller vor sich. Bald nach Beginn des Startvorgangs der Brennkraftmaschine
kann daher von den Injektoren 22 Kraftstoff in die Brennräume 24 mit
relativ hohem Druck eingespritzt werden, was dessen Zerstäubung begünstigt und
das Startverhalten der Brennkraftmaschine verbessert.
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Wenn
die Brennkraftmaschine danach normal betrieben wird, wird der elektromagnetische
Aktor 42 von der Steuer- und Regeleinheit 28 so
angesteuert, dass der Ventilschieber 40 vergleichsweise langsam öffnet. Die
beiden Teilvolumina 36 und 38 werden also nur
allmählich
wieder miteinander verbunden, wodurch ein Druckeinbruch in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 zum
Zeitpunkt des Öffnens des
Schieberventils 34 vermieden wird. Eine Beeinflussung des
Einspritzdrucks der Injektoren 22 während des Öffnens des Schieberventils 34 liegt
daher nicht oder zumindest nur in geringem Umfang vor.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
wird von der Steuer-Regeleinheit 28 erfasst,
wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Schubbetrieb befindet. In
einem solchen Schubbetrieb wird von den Injektoren 22 kein
Kraftstoff in die Brennräume 24 eingespritzt.
Die Steuer- und Regeleinheit 28 steuert den elektromagnetischen
Aktor 42 bei diesem Ausführungsbeispiel nur während eines
Schubbetriebs so an, dass das Schieberventil 34 öffnet. In diesem
Fall wird der Einspitzdruck der Injektoren 22 durch das Öffnen des
Schieberventils 34 überhaupt
nicht beeinflusst.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Kraftstoffsystems ist in 2 gezeigt.
Dabei gilt hier wie für
alle nachfolgenden Ausführungsbeispiele,
dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu vorab
beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen
und nicht nochmals im Detail erläutert
wird.
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Im
Unterschied zu dem vorigen Ausführungsbeispiel
wird bei dem in 2 gezeigten Kraftstoffsystem
die Kraftstoff-Sammelleitung 20 im
Bedarfsfall nicht in zwei Teilvolumina unterteilt. Stattdessen ist
die Kraftstoff-Sammelleitung 20 über ein elektromagnetisch betätigtes Sperrventil 44 und
eine Strömungsdrossel 34 mit
einem Druckspeicher 45 mit einem starren Zusatzvolumen 38 verbindbar.
Das in 2 gezeigte Kraftstoffsystem arbeitet folgendermaßen:
Im
Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ist das elektromagnetische
Sperrventil 44 zumindest für eine bestimmte Zeit geöffnet. Der
dann in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 herrschende
hohe Kraftstoffdruck überträgt sich über das
Sperrventil 44 und die Drossel 34 in das Zusatzvolumen 38.
Dort herrscht, nach einer gewissen Zeit, der gleiche hohe Kraftstoffdruck
wie in der Kraftstoff-Sammelleitung 20.
Auch hier gilt, dass das Sperrventil 44 vorzugsweise so
geöffnet
wird, dass hierdurch der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 nicht
oder nicht wesentlich beeinflusst wird. Dies ist insbesondere während eines
Schubbetriebs der Brennkraftmaschine der Fall. Durch die Drossel 34 wird
die Strömung
vom Teilvolumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung 20 zum
Zusatzvolumen 38 zusätzlich gedrosselt,
was einem plötzlichen
Druckabfall in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 entgegenwirkt.
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Vor
dem Abschalten der Brennkraftmaschine, was beispielsweise über den
Signalgeber 30 an die Steuer- und Regeleinheit 28 übermittelt
wird, wird das Sperrventil 44 von der Steuer- und Regeleinheit 28 geschlossen.
Durch Undichtigkeiten, beispielsweise an den Injektoren 22,
sinkt der Kraftstoffdruck in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 relativ
rasch ab, wohingegen er in dem abgeschlossenen Zusatzvolumen 38 erhalten
bleibt. Kurz vor dem Wiederanlassen der Brennkraftmaschine (dies
wird durch den Signalgeber 30 der Steuer- und Regeleinheit 28 mitgeteilt),
wird das Sperrventil 44 geöffnet, so dass ein Druckausgleich
zwischen dem Zusatzvolumen 38 und dem Volumen 36 der
Kraftstoff- Sammelleitung 20 stattfinden kann. Um einen
ausreichenden Druckaufbau in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 zu ermöglichen,
muss das Zusatzvolumen 38 entsprechend dimensioniert sein.
Beträgt
der Systemdruck im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine beispielsweise 200
bar und sollen beim Starten der Brennkraftmaschine beispielsweise
40 bar zur Verfügung
stehen, so muss das Zusatzvolumen 38 mindestens ein Fünftel des
Volumens 36 der Kraftstoff-Sammelleitung 20 betragen.
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Wird
die Brennkraftmaschine nun gestartet, wird einerseits Kraftstoff
von den Injektoren 22 aus dem Volumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung
entnommen, andererseits wird durch die Inbetriebnahme der Vorförderpumpe 14 und
der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 Kraftstoff
in die Kraftstoff-Sammelleitung 20 nachgefördert. Dadurch,
dass zwischen dem Volumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung 20 und dem
Zusatzvolumen 38 die Drossel 34 vorhanden ist, ist
das Zusatzvolumen 38 hydraulisch zumindest in einem gewissen
Umfang vom Volumen 36 der Kraftstoff- Sammelleitung 20 getrennt.
Der Druckaufbau in diesem Volumen kann daher vergleichsweise schnell erfolgen,
jedenfalls schneller als ohne die Drossel 34. Während dieser
Startphase der Brennkraftmaschine, während der der Druck sich stark
verändert,
ist daher das hydraulisch wirksame Volumen des Hochdruckbereichs 32 kleiner
als in einem weitgehend stationären
Normalbetrieb der Brennkraftmaschine, in dem in den beiden Volumina 30 und 38 im
wesentlichen der gleiche Kraftstoffdruck herrscht.
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Alternativ
zu der oben angegebenen Vorgehensweise kann die elektrische Vorförderpumpe 14 auch
schon in Betrieb genommen werden, bevor das Sperrventil 44 geöffnet wird.
In diesem Fall herrscht im Volumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung 20 bereits
Vorförderdruck,
wenn das Sperrventil 44 geöffnet wird. Hierdurch ist letztlich
ein höherer
Druck nach dem Öffnen
des Sperrventils 44 im Volumen 36 der Kraftstoff-
Sammelleitung erzielbar. Das Öffnen des
Sperrventils kann gesteuert von der Steuer- und Regeleinheit 28 dann
erfolgen, wenn vom Drucksensor 26 festgestellt wird, dass
im Volumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung wenigstens in etwa Vorförderdruck
herrscht.
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Um
ein möglichst
kompaktes Kraftstoffsystem 10 zu schaffen, können die
Kraftstoff-Sammelleitung 20, das Sperrventil 44,
und das Zusatzvolumen 38 auch als eine Baueinheit ausgebildet
sein. Jedenfalls ist eine starre Verbindung dieser Elemente miteinander
vorteilhaft, um Manipulationen an den im Betrieb unter hohem Druck
stehenden Bauteilen zu verhindern. Dies kann zum Beispiel durch
Schweiß-
, Press-, oder Bördelverbindungen
realisiert werden. Werden Schraubverbindungen verwendet, so muss sichergestellt
sein, dass austretender Kraftstoff nicht zu Verletzungen führt. Im
Crashfall steuert die Steuer- und Regeleinheit 28 das Sperrventil 44 in
seine geöffnete
Position, so das der Druck im Zusatzvolumen 38 abgebaut
werden kann.
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Damit
der hohe Kraftstoffdruck im Zusatzvolumen 38 auch über einen
längeren
Zeitraum, beispielsweise mehrere Tage oder mehrere Wochen erhalten
bleibt, kann das Sperrventil 44 entsprechend 3 ausgestaltet
werden:
Ein Ventilgehäuse 46 weist
einen zylindrischen Abschnitt 48 und einen sich konisch
verjüngenden
Abschnitt 50 auf. Ein Ventilelement 52 umfasst
einen Betätigungsstößel 54,
der mit einem in 3 nicht gezeigten elektromagnetischen
Aktor verbunden ist. Das dem konischen Abschnitt 50 zugewandte
Ende 56 des Betätigungsstößels 54 weist
einen etwas größeren Durchmesser
auf, und zwischen diesem Ende 56 und dem Ventilgehäuse 46 ist
eine Druckfeder 58 verspannt. Durch diese wird der Endabschnitt 56 gegen
den konischen Abschnitt 50 beaufschlagt.
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Der
dem konischen Abschnitt 50 zugewandte Rand des Endabschnitts 56 ist
abgeschrägt
und weist eine umlaufende Nut auf, in welche ein Dichtring 60 aus
einem Elastomermaterial eingelegt ist. Dieser arbeitet mit dem konischen
Abschnitt 50 zusammen, welcher insoweit einen Dichtsitz
für das Ventilelement 52 bildet.
Das Sperrventil 44 ist stromlos geschlossen. Wird der nicht
dargestellte Aktor bestromt, wird der Betätigungsstößel 54 entgegen der Kraft
der Feder 58 bewegt, so dass zwischen dem Dichtring 60 und
dem konischen Gehäuseabschnitt 50 ein
Durchflussquerschnitt freigegeben wird.
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Eine
nochmals abgeänderte
Ausführungsform
eines Kraftsystems 10 zeigt 4. Diese
unterscheidet sich von dem Kraftstoffsystem von 2 dadurch,
dass der Druckspeicher 45 anstelle eines starren Zusatzvolumens
ein variables Zusatzvolumen 38 aufweist, welches bereichsweise
von einer durch eine flexible und elastische Membran gebildeten
Wand 62 begrenzt wird, auf deren anderer Seite ein Gasvolumen 64 eingeschlossen
ist. Die Kompressibilität
des Gasvolumens 64 kann ausgenutzt werden, um vor dem Start
der Brennkraftmaschine im Volumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung 20 einen vergleichsweise
hohen Kraftstoffdruck bereit zu stellen.
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Eine
weitere Variante eines Kraftstoffsystems 10 zeigt 5:
Diese
Variante entspricht im Grunde jener von 2, wobei
auf eine Strömungsdrossel
zwischen dem Sperrventil 44 und dem Zusatzvolumen 38 verzichtet wird.
Daher wird das hydraulisch wirksame Volumen unmittelbar vom Sperrventil 44 beeinflusst.
Wird das Sperrventil 44 schlagartig geöffnet, erfolgt auch ein schlagartiger
Druckausgleich zwischen den beiden Volumina 36 und 38.
Wenn bei der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine, also beispielsweise
beim Förderbeginn
der Hochdruck- Kraftstoffpumpe 18, ein niedriges hydraulisch
wirksames Volumen gewünscht
ist, um den Druckaufbau zu beschleunigen, kann, nach erfolgtem Druckausgleich,
das Sperrventil 44 auch nochmals geschlossen werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
eines Kraftstoffsystems 10 ist in 6 dargestellt.
Funktional ähnelt
das in 6 gezeigte Kraftstoffsystem 10 jenem
von 4, wobei jedoch zwischen dem Volumen 36 der
Kraftstoff-Sammelleitung 20 und
dem Volumen 38 weder Absperrventil noch Drossel vorhanden
sind. Stattdessen liegt an der Membran 62, wie aus den 7 und 8 hervorgeht,
ein Sperrelement 66 mit einem tellerartig geformten flächigen Bereich 68 an.
Das Sperrelement 60 ist dabei innerhalb des Zusatzvolumens 38 angeordnet.
Es umfasst auch einen Sperrstift 70, welcher vom tellerartig
geformten Bereich 68 in das Zusatzvolumen 38 hinein absteht
und eine Ausnehmung 72 aufweist, in die eine Sperrklinke 74 eingreifen
kann, die senkrecht zur Längsachse
des Sperrstifts 70 mittels eines elektromagnetischen Actors 76 in
die Ausnehmung 72 hinein und aus dieser heraus bewegbar
ist.
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Die
Ausnehmung 72 und die Sperrklinke 74 sind so zueinander
angeordnet, dass der Sperrstift 70 von der Sperrklinke 74 in
einer Position verriegelt werden kann, in welcher das Gasvolumen 64 maximal
komprimiert ist (vergleiche 7). Das
von der Membran 62 abragende Ende des Sperrstifts 70 arbeitet
mit einem stationären
Anschlag 78 zusammen, durch den eine Bewegung der Membran 62 zum Hochdruckbereich 32 hin
und somit die maximale Entspannung des von der Membran 62 abgeschlossenen
Gasvolumens 64 begrenzt wird (vergleiche 8).
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Der
Gasdruck in dem Gasvolumen 64 ist so gewellt, dass während des
normalen Betriebs der Brennkraftmaschine der im Volumen 36 der
Kraftstoff-Sammelleitung 20 und somit auch im Volumen 38 herrschende
Kraftstoffdruck ausreicht, um das Gasvolumen 64 in die
in 7 gezeigte Position zu komprimieren. Der elektromagnetische
Aktor 76 wird in dieser Position von der Steuer- und Regeleinheit 28 so
angesteuert, dass er in die Ausnehmung 72 eingreift und
somit die Membran 62 in der in 7 gezeigter
Position verriegelt. Soll die Brennkraftmaschine gestartet werden,
was der Steuer- und Regeleinheit 28 durch der: Signalgeber 30 angezeigt
wird, wird zunächst
die elektrische Vorförderpumpe 14 in Betrieb
gesetzt, wodurch der Druck in den beiden Volumina 36 und 38 bis
auf Vorförderdruck
ansteigt. Dies wird vom Drucksensor 26 erfasst.
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Sobald
in den beiden Volumina 36 und 38 Vorförderdruck
herrscht, wird der elektromagnetische Aktor 76 von der
Steuer- und Regeleinheit 28 so angesteuert, dass die Sperrklinke 74 aus
der Ausnehmung 72 ausrückt.
Hierdurch kann sich das komprimierte Gasvolumen 64 soweit
entspannen, bis der Sperrstift 70 am Anschlag 78 in
Anlage kommt. Letztlich bedeutet dies eine Verringerung des hydraulisch wirksamen
Volumens im Hochdruckbereich 32, wodurch der Druck in der
Kraftstoff- Sammelleitung nochmals ansteigt. Der Druck im Gasvolumen 64 ist Idealerweise
so gewählt,
dass dann, wenn der Sperrstift 70 am Anschlag 78 anliegt,
das von der Membran 72 eingeschlossene Gasvolumen 64 den
gleichen Druck aufweist wie der in den beiden Volumina 36 und 38 vorhandene
Kraftstoff.
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Eine
weitere, nochmals alternative Ausführungsform eines Kraftstoffsystems
ist in 9 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das in
der Kraftstoff-Sammelleitung 20 vorhandene
hydraulisch wirksame Volumen durch die Stellung eines Kolbens 62 beeinflusst.
Dieser kann über
einen elektrischen Spindelantrieb 80 mehr oder weniger
in das Volumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung 20 hineinbewegt werden.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen
dem Kolben und dem Volumen der Kraftstoff- Sammelleitung eine Membran
angeordnet, so dass eine Abdichtung des Kolbens gegenüber dem
Volumen der Kraftstoff-Sammelleitung entfallen kann. Bezüglich der
Bewegung des Kolbens 62 mittels des Spindelantriebs 80 gilt,
dass eine Verringerung des hydraulisch wirksamen Volumens 36 der Kraftstoff-
Sammelleitung 20 durch eine Hineinbewegung des Kolbens 62 schneller
erfolgt als eine Vergrößerung des
Volumens 36. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Betrieb
der Brennkraftmaschine, wenn das Volumen vergrößert werden soll, der Druck im Volumen 36 der
Kraftstoff-Sammelleitung 20 nicht unzulässig anfällt.
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Eine
nochmals andere Version eines Kraftstoffsystems 10 zeigt 10:
Als
Beeinflussungseinrichtung ist bei diesem Kraftstoffsystem 10 eine
Heizeinrichtung 82 vorgesehen, mit der die Temperatur des
in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 eingeschlossenen Kraftstoffes
erhöht
werden kann. Hierzu ist die Heizeinrichtung 82 über einen
Schalter 84 an eine Spannungsversorgung 86 angeschlossen.
Bei dieser kann es sich beispielsweise um eine Batterie des Kraftfahrzeugs
handeln, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist. Der Schalter 84 wird
von der Steuer- und Regeleinheit 28 angesteuert.
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Vom
Signalgeber 30 wird ein Signal an die Steuer- und Regeleinheit 28 abgegeben,
welches diesem anzeigt, dass die Brennkraftmaschine gestartet werden
soll. Hierauf schließt
die Steuer- und Regeleinheit 28 den Schalter 84,
so dass die Heizeinrichtung 82 den in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 eingeschlossenen
Kraftstoff erwärmt.
Da zwischen der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 und der Kraftstoff-Sammelleitung 20 ein
in der Figur nicht dargestelltes und zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe
hin sperrendes Rückschlagventil
vorhanden ist, handelt es sich bei dem in der Kraftstoff- Sammelleitung 20 eingeschlossenen
Volumen 36 um ein abgeschlossenes Volumen. Durch die Erwärmung des
eingeschlossenen Kraftstoffes erhöht sich der Druck in dem Volumen 36,
so dass für
die ersten Einspritzungen beim Starten der Brennkraftmaschine ein
entsprechend hoher Einspritzdruck zur Verfügung steht. Darüber hinaus
sorgt die erhöhte
Kraftstofftemperatur für
eine gute Zerstäubung
des eingespritzten Kraftstoffes, was den Start der Brennkraftmaschine
und vor allem deren Emissionsverhalten nochmals verbessert.
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Wird
nach dem Start der Brennkraftmaschine ein bestimmter Grenzdruck
im Volumen 36 der Kraftstoff-Sammelleitung 20 überschritten,
wird der Schalter 84 von der Steuer- und Regeleinheit geöffnet und
hierdurch die Heizeinrichtung 82 ausgeschaltet. Der entsprechende
Druck wird vom Drucksensor 26 erfasst.
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Auch
hier ist es zur Erzeugung eines möglichst hohen Druckes in der
Kraftstoff-Sammelleitung 20 beim Start der Brennkraftmaschine
vorteilhaft, wenn noch vor der Inbetriebnahme der Heizeinrichtung 82 die
elektrische Vorförderpumpe 14 eingeschaltet
wird, so dass zu Beginn der Erwärmung
des eingeschlossenen Kraftstoffes bereits Vorförderdruck in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 herrscht.
Möglich ist
auch, dass die Vorförderpumpe 14 gleichzeitig
mit der Heizeinrichtung 82 eingeschaltet wird, indem das Einschaltsignal
des Signalgebers 30 auch zum Einschalten des Elektromotors 16 der
Vorförderpumpe 14 genutzt
wird.
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Die
Heizwicklung (im Detail in 10 nicht dargestellt)
der elektrischen Heizeinrichtung 82 kann sowohl direkt
mit dem Kraftstoff innerhalb der Kraftstoff-Sammelleitung 20 in
Kontakt stehen, als auch indirekt, indem die Heizwicklung zunächst ein
Gehäuse
der Kraftstoff- Sammelleitung erwärmt, welches dann wiederum
den Kraftstoff erwärmt.
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Es
sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, das bei der obigen
Beschreibug der Einfachheit halber nur auf wesentliche Unterschiede zwischen
den Ausführungsbeispielen
Bezug genommen wurde. Es versteht sich, dass sämtliche Merkmale der einzelnen
Ausführungsbeispiele
und der damit zusammenhängende
Betriebsverfahren auch in beliebiger Kombination verwendet werden
können, ohne
dass der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.