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Diese
Erfindung betrifft Kraftstoffsysteme für Automobilmotoren, genauer
gesagt ein rückkehrfreies,
schleifenförmiges
Kraftstoffsystem mit einer Kraftstoffpumpe mit veränderlicher
Drehzahl und einer Druckventileinheit.
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Es
gibt generell zwei Arten von schleifenförmigen oder rückkehrfreien
Kraftstoffeinspritzsystemen für
einen Verbrennungsmotor. Der erste Typ, der als T-Konfiguration
bezeichnet wird, findet in Kraftstoffsystemen Verwendung, bei denen
der Kraftstoffdruck in einer Kraftstoffschiene einer Einspritzvorrichtung
unabhängig
von der Masse der durch die Einspritzvorrichtungen strömenden Kraftstoffmenge konstant
gehalten wird. Der zweite Typ wird als Parallel-Konfiguration bezeichnet und ist insbesondere bei
Kraftstoffsystemen populär,
die in Abhängigkeit von
einem speziellen Übergangszustand
des Motors einen variierenden Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene
der Einspritzvorrichtung erfordern. Beispielsweise erfordern Motoren
mit Turbolader oft Kraftstoffschienendrücke der Einspritzvorrichtungen
bei weit offenen Drosselklappenzuständen, die doppelt so groß sind wie
solche bei Leerlauf- oder Schiebebetriebbedingungen. Bei beiden
Typen findet normalerweise eine zyklisch arbeitende Kraftstoffpumpe
oder eine solche mit veränderlicher
Drehzahl Verwendung, die den Kraftstoffdruck über ein an der Kraftstoffschiene
erzeugtes Drucksignal verändert
und steuert.
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Bei
der T-Konfiguration 10, die in 1 als Stand der Technik gezeigt ist,
wird Kraftstoff einer Kraftstoffschiene 12 einer Einspritzvorrichtung
durch ein Durchflusssperrventil 14 am Auslass einer Kraftstoffpumpe 16 mit
veränderlicher
Drehzahl zugeführt. Das
Durchflusssperrventil 14 schließt, wenn der Kraftstoffdruck
am Ventilauslass den Kraftstoffdruck am Ventileinlass oder Pumpenauslass 18 übersteigt. Es
schließt
in typischer Weise, wenn der Motor außer Betrieb gesetzt wird, und
verhindert auf diese Weise eine Kraftstoffverdampfung und stellt
flüssigen
Kraftstoff und Druck in der Schiene 12 für einen
zuverlässigen
Motorstart sicher. Zwischen dem Durchflusssperrventil 14 und
der Kraftstoffschiene 12 der T-Konfiguration 10 ist
ein Druckentlastungssperrventil 19 angeordnet, um Kraftstoff
direkt zum Kraftstofftank zurückzuführen, wenn
die Kraftstoffschiene und die Einspritzvorrichtungen einem Überdruckzustand ausgesetzt
sind. Das Druckentlastungssperrventil 19 ist so ausgebildet,
dass es sich in typischer Weise öffnet,
wenn der Kraftstoffdruck an der Kraftstoffschiene 12 oder
am Einlass 17 des Druckentlastungssperrventils 19 einen
vorgegebenen Wert übersteigt,
der höher
ist als der normale Betriebsdruck an der Kraftstoffschiene 12.
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Beispielsweise
kann ein Überdruckzustand nach
dem Stillsetzen des Motors verursacht werden, wobei das Durchflusssperrventil 14 geschlossen
wird und der Druck des vorhandenen eingefangenen Kraftstoffes in
der Kraftstoffschiene 12 mit zunehmender Kraftstofftemperatur
ansteigt, was auf eine mögliche
Erhitzung durch die Restwärme
zurückzuführen ist,
die vom heißen
Motor oder der Umgebung ausgeht. Ein anderes Szenario eines Überdruckzustandes
kann durch eine lange Ansprechzeit der Pumpe mit veränderlicher
Drehzahl verursacht werden. Wenn beispielsweise ein Motor, der mit
weit geöffneter
Drosselklappe läuft,
sofort in einen Schiebebetrieb verzögert wird, können sich
die Einspritzvorrichtungen zu einem Zeitpunkt für Sekunden schließen. Dies
kann zu einer Druckspitze führen,
wenn die Kraftstoffpumpe mit veränderlicher
Drehzahl nicht unmittelbar ansprechen kann. Das Druckentlastungssperrventil öffnet daher,
um den Kraftstoffdruck an der Schiene zu entlasten.
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Da
sich bedauerlicherweise das Druckentlastungssperrventil auf den
Tankdruck und nicht auf den Pumpenauslassdruck bezieht, muss der
Entlastungssolldruck der T-Konfiguration, bei der eine Kraftstoffpumpe
mit veränderlicher
Drehzahl Verwendung findet, beträchtlich über dem
Systembetriebsdruck eingestellt werden. Infolgedessen ist der Bereich
der Drucksteuerung innerhalb der Kraftstoffschiene begrenzt, und
die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die einem höheren Kraftstoffdruck
ausgesetzt sind, können
leichter lecken, wenn der Motor außer Betrieb gesetzt wird. Ein
zweiter Nachteil einer typischen T-Konfiguration besteht darin,
dass eine separate Bypass-Leitung mit zugehörigen Fittings erforderlich
ist, so dass die Herstell- und Montagekosten ansteigen. Die vorstehend
beschriebene T-Konfiguration besitzt darüber hinaus den Nachteil, dass der
Kraftstoffüberschuss
direkt dem Kraftstofftank zugeführt
wird, was insbesondere bei Bedingungen hoher Temperatur dazu führen kann,
dass die Kraftstoffpumpe kontinuierlich Kraftstoff durch das Druckentlastungssperrventil
und zurück
in den Kraftstofftank pumpt.
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Gemäß einem
anderen bekannten Aspekt des Kraftstoffsystems der T-Konfiguration
findet eine Kraftstoffpumpe mit konstanter Drehzahl anstelle der vorstehend
beschriebenen Pumpe mit veränderlicher Drehzahl
Verwendung. Um den Kraftstoffdruck zu steuern, typischerweise auf
einen Betriebsdruck von etwa 300 kPa für einen typischen Motor, findet
bei dem System mit konstanter Drehzahl ein Druckregulierventil anstelle
des Druckentlastungsventils 19 des Systems mit veränderlicher
Drehzahl Verwendung. Wenn der Motor stillgesetzt wird und das Kraftstoffsystem
auf dem Betriebsdruck verbleibt, führt jedoch bedauerlicherweise
jeder Anstieg der Umgebungstemperatur (durch Restwärme vom
heißen
Motor) dazu, dass der Druck des eingefangenen Kraftstoffes ansteigt.
Dieser Anstieg bewirkt sofort, dass sich das Druckregulierventil öffnet und
eine gesteuerte Kraftstoffmenge vom System abgibt, um den Kraftstoffdruck
zu senken. Falls die Umgebungstemperaturen absinken, fällt der
Systemdruck des eingefangenen Kraftstoffes im wesentlichen unter
den Systembetriebsdruck. Danach erzeugt jeglicher weiterer Kraftstofftemperaturanstieg
im System oder der Kraftstoffschiene bei den niedrigeren Drücken Dampf
im System. Wenn der Motor gestartet wird, öffnet das Regulierventil und
verhindert, dass die Kraftstoffschiene selbst für eine begrenzte Zeitdauer
den relativ niedrigen Systembetriebsdruck (d.h. 300 kPa) übersteigt. Demzufolge
bildet sich ohne ein gewisses Ausmaß einer Druckspitze während der
Motorstarts der Dampf nicht in flüssigen Kraftstoff zurück, so dass
ein verlängerter
oder rauer Motorstart resultiert.
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Bei
der zweiten oder Parallel-Konfiguration, wie sie in den US-PS'en 5 361 742 und
5 477 829 beschrieben ist und bei der es sich wahrscheinlich um den
geläufigsten
Typ eines Kraftstoffeinspritzsystems handelt, findet ebenfalls eine
Kraftstoffpumpe mit veränderlicher
Drehzahl Verwendung, die die Drehzahl und somit den Kraftstoffdurchfluss
auf der Basis eines Kraftstoffdruckeingabesignals von der Kraftstoffschiene
verändert.
Im Gegensatz zur T-Konfiguration finden bei der Parallel-Konfiguration ein
Durchflusssperrventil und ein Druckentlastungssperrventil Verwendung,
die parallel zueinander am Auslass der Pumpe orientiert sind. Während des
Betriebes eines Verbrennungsmotors, bei dem die Parallel-Konfiguration
eines rückkehrfreien,
schleifenförmigen
Kraftstoffeinspritzsystems Verwendung findet, öffnet sich das Durchflusssperrventil
am Auslass der Kraftstoffpumpe bei einem minimalen Differenzdruck, wenn
Kraftstoff der Kraftstoffeinspritzschiene zugeführt wird, und schließt, um einen
rückwärts gerichteten
Kraftstoffdurchfluss zu verhindern, wenn der Druck am Durchflusssperrventilauslass
(oder der Druck an der Schiene) größer ist als der Auslassdruck
an der Pumpe (oder der Einlassdruck am Durchflusssperrventil). Wenn
der Druck am Auslass des Durchflusssperrventils einen vorgegebenen
Wert übersteigt,
der auf den Auslass der Pumpe üblicherweise
während
langer Verzögerungsperioden
bezogen ist, öffnet
sich das parallele Druckentlastungssperrventil und strömt Kraftstoff
in umgekehrter Richtung durch die leerlaufende Pumpe. Um diesen übermäßig hohen
Kraftstoffdruck an der Schiene zu reduzieren, öffnet sich das normalerweise
geschlossene Druckentlastungssperrventil aus seiner normalerweise
geschlossenen Position, während
das Durchflusssperrventil geschlossen bleibt. Der Druckentlastungssollpunkt
ist höher
als der des Durchflusssperrventils, wodurch die Kraftstoffschiene
gegenüber
einem Überdruck
geschützt
und verhindert wird, dass Kraftstoff in der Schiene während des
Stillsetzens des Motors verdampft. Wenn das Druckentlastungssperrventil
offen ist, strömt
Kraftstoff zurück
von der Kraftstoffschiene und durch die Auslassseite der Kraftstoffpumpe.
Diese Parallel-Konfiguration steht im Gegensatz zu dem Druckentlastungssperrventil der
T-Konfiguration, wenn der Öffnungssolldruck
des Druckentlastungssperrventils über dem maximalen Betriebsdruck
der Kraftstoffschiene liegt und die Kraftstoffrückführung nicht durch die Kraftstoffpumpe erfolgt.
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Bedauerlicherweise
erfordert die Parallelkombination des Druckentlastungssperrventils
und des Durchflusssperrventils viele bewegliche Teile und ist somit
teuer in der Herstellung und Wartung. Darüber hinaus sind beide Ventile
typischerweise als auf- und abgehende Ventile ausgebildet. Das Durchflusssperrventil
besitzt ein Kugellager als Kopf, der im geschlossenen Zustand durch
sein Eigengewicht mit einem Sitz in Eingriff steht. Das Druckentlastungssperrventil
ist ähnlich
ausgebildet, wird jedoch typischerweise durch die Kraft einer Feder
unterstützt, um
das Kugellager gegen den Sitz weiter vorzuspannen. Bedauerlicherweise
sind auf- und abgehende Ventile anfällig gegenüber Verschleiß und Druckschwankungen
mit hoher Frequenz, wie am besten in 7 gezeigt
ist, wodurch das sanfte Laufverhalten eines Motors in Mitleidenschaft
gezogen werden kann.
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Bei
der vorliegenden Erfindung führt
ein rückkehrfreies,
schleifenförmiges
Kraftstoffeinspritzsystem Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe durch eine
Kraftstoffleitung einer Kraftstoffschiene einer Einspritzvorrichtung
zu. Mit der Kraftstoffleitung in Verbindung steht ein in einen geschlossenen
Zustand vorgespanntes Drucksteuerventil mit einem Ventilkopf, der
vorzugsweise vom Membrantyp ist und eine Kraftstoffseite mit einem
ersten und zweiten Bereich aufweist, die voneinander durch einen
Ventilsitz getrennt sind, wenn das Drucksteuerventil geschlossen
ist. Eine gegenüberliegende
zweite Seite des Ventilkopfes ist einem Bezugsdruck und einer Schließkraft ausgesetzt,
um eine verbleibende Vorspannkraft zum Schließen zu erzeugen. Zum Öffnen des
Drucksteuerventils müssen
die kombinierte hydraulische Öffnungskraft,
die durch den Kraftstoffdruck induziert oder auf den ersten Bereich
ausgeübt wird,
und der auf den zweiten Bereich ausgeübte Kraftstoffdruck größer sein
als die resultierende Vorspannkraft zum Schließen. Vorzugsweise ist der erste
Bereich kleiner als der zweite Bereich, um auf diese Weise die erforderliche
hydraulische Kraft zum Öffnen
des Ventils zu erreichen, und ist der generell auf den ersten Bereich
einwirkende Kraftstoffdruck größer als
der auf den zweiten Bereich einwirkende erforderliche Kraftstoffdruck.
Wenn das Drucksteuerventil offen ist, ist der Systembetriebskraftstoffdruck, der
sowohl auf den ersten als auch auf den zweiten Bereich einwirkt,
hoch genug, um die hydraulische Kraft zu erzeugen, die erforderlich
ist, um das Ventil offen zu halten.
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Vorzugsweise
ist das Drucksteuerventil ein Teil einer Druckventileinheit eines
Kraftstoffpumpenmoduls, der innerhalb eines Kraftstofftanks angeordnet
ist. Die Druckventileinheit besitzt vorzugsweise ein Durchflusssperrventil,
das in einer Parallfluss-Konfiguration zum Drucksteuerventil angeordnet
ist, wenn es sich bei der Kraftstoffpumpe um eine solche mit veränderlicher
Drehzahl handelt. Wenn es sich jedoch bei der Kraftstoffpumpe um
eine solche mit konstanter Drehzahl handelt, ist das Durchflusssperrventil
vorzugsweise durch eine Bypass-Öffnung ersetzt.
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Bei
einem bevorzugten Aspekt des rückkehrfreien,
schleifenförmigen
Kraftstoffeinspritzsystems liefert eine Kraftstoffpumpe vom Turbinentyp
Kraftstoff an die Kraftstoffschiene einer Einspritzvorrichtung direkt
durch das Drucksteuerventil der Druckventileinheit, die ebenfalls
in der Lage ist, Kraftstoff von der Schiene und zurück durch
die Pumpe fließen zu
lassen, um den Druck der Kraftstoffschiene zu entlasten. Vorzugsweise
wird der Ventilkopf vom Membrantyp über eine Feder, die in einer
Bezugskammer angeordnet ist, welche zwischen einem Gehäuse und
der Bezugsseite der Membran ausgebildet und zur Atmosphäre entlüftet ist,
in den geschlossenen Zustand vorgespannt. Eine zwischen der gegenüberliegenden
Kraftstoffseite der Membran und einem Ventilkörper ausgebildete Kraftstoffkammer
bildet eine Verbindung zwischen einer Pumpenseitenöffnung und
einer Schienenseitenöffnung.
Wenn sich das Steuerventil in einer geschlossenen Position befindet,
wird die Kraftstoffkammer über
die Dichtung zwischen dem Ventilsitz und der Membran in eine Schienenunterkammer
und eine Pumpenunterkammer unterteilt, wobei das Ventil durch die
Schließvorspannkraft
einer Feder geschlossen gehalten wird. Der zweite Bereich der Membran
bildet teilweise die Pumpenunterkammer, und der erste Bereich der Membran
bildet teilweise die Schienenunterkammer der Kraftstoffkammer.
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Wenn
es sich bei dem Drucksteuerventil um ein Zweiwege-Ventil und bei der
Kraftstoffpumpe um eine solche mit veränderlicher Drehzahl handelt,
umfasst die Druckventileinheit vorzugsweise ebenfalls ein integriertes
Durchflusssperrventil, das parallel zum Drucksteuerventil orientiert
ist. Das Durchflusssperrventil unterstützt Motorstarts, wenn die Batteriespannung
geringer ist, wie beispielsweise bei kaltem Wetter, und die Ausgangsleistung
der Kraftstoffpumpe herabgesetzt ist, und verhindert eine durch
den Abkühlprozess
eines nichtlaufenden Motors bewirkte Dampffestsetzung. Das Durchflusssperrventil öffnet sich
bei einem relativ kleinen Differenzdruck, so dass Kraftstoff von
der Kraftstoffpumpe zur Einspritzschiene fließen kann, wenn der Pumpenauslassdruck
geringer ist als der zum Öffnen
des Drucksteuerventils erforderliche Druck. Das Durchflusssperrventil öffnet sich
ebenfalls bei dem gleichen Differenzdruck, wenn der Motor und die
Pumpe nicht laufen und der Druck des eingefangenen Kraftstoffes
in der Kraftstoffschiene während
unteratmosphärischer
Bedingungen infolge einer Abkühlung
abfällt,
so dass auf diese Weise eine Festsetzung von Kraftstoffdampf an
der Kraftstoff schiene verhindert wird. Vorzugsweise wird die Kraftstoffpumpe
mit veränderlicher
Drehzahl über
einen Computer gesteuert, der ein Eingangssignal von einem Druckgeber
an der Schiene empfängt.
Vorzugsweise entspricht die Schließvorspannkraft im wesentlichen
dem minimalen Kraftstoffdruck oder demselben bei Leerlauf mal dem
Bereich der inneren Fläche
der Membran.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung findet eine Kraftstoffpumpe mit konstanter
Drehzahl in einem neuartigen T-Konfigurations-Kraftstoffsystem
Verwendung, wobei ein Druckregler eingesetzt wird, der Kraftstoff
zum Tank bei Betriebsdrücken
zurückführt. Bei
dieser Konfiguration ist die Druckventileinheit unmittelbar aufstromseitig
des Druckreglers an einer Ableitung angeordnet, die sich T-förmig in die Kraftstoffleitung
erstreckt und dazu dient, den Kraftstoffdruck während Motorstarts auf die Spitze
zu treiben, wodurch der gesamte angesammelte Dampf, der sich im
System während
ausgedehnter Stilllegezeiten des Motors gebildet hat, zusammenfällt und
für rasche
Motorstarts gesorgt wird. Wenn es sich bei dem Kraftstoffsystem
um eine T-Konfiguration handelt und die Kraftstoffpumpe mit konstanter
Drehzahl verwendet wird, findet vorzugsweise bei der Kraftstoffventileinheit
eine Bypassöffnung
Verwendung, um den Kraftstoffdruck auf beiden Seiten des Kraftstoffsteuerventils
auszugleichen und den Druck an der Schiene zu entlasten, falls das
Steuerventil während
einer thermischen Durchwärmperiode
vorzeitig schließen
sollte.
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Die
Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, ein
rückkehrfreies,
schleifenförmiges
Kraftstoff system zu schaffen, bei dem eine Ventileinheit mit Umkehrfluss
Verwendung findet, um den an die Einspritzvorrichtungen während diverser Motorbetriebsbedingungen
abgegebenen Kraftstoffdruck zu steuern und den Kraftstoffdruck im
System während
des Stillsetzens des Motors auf einem minimalen Wert zu halten.
Das System vermeidet die Zuführung
von überschüssigem Kraftstoff
zum Motor unter bestimmten Betriebsbedingungen, setzt die Emissionen
des Motors herab, verbessert den Motorstart während Szenarios mit niedriger
Spannung, verhindert ein Festsetzen von Kraftstoffdampf an der Kraftstoffschiene,
reduziert die Anzahl der Teile und ist robust, haltbar, wartungsfrei,
hat eine relativ einfache Konstruktion und lässt sich in wirtschaftlicher Weise
herstellen und zusammenbauen und zeichnet sich durch eine lange
nutzbare Lebensdauer aus.
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Die
Erfindung ist in den Patentansprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Hiervon zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines rückkehrfreien,
schleifenförmigen
Kraftstoffeinspritzsystems mit T-Konfiguration des Standes der Technik;
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2 eine
schematische Darstellung eines rückkehrfreien,
schleifenförmigen
Kraftstoffeinspritzsystems mit Parallel-Konfiguration der vorliegenden Erfindung;
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3 einen
halbschematischen Schnitt eines Druckentlastungsventils des rückkehrfreien, schleifenförmigen Kraftstoffeinspritzsystems
in einer offenen Position;
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4 eine
halbschematische Draufsicht des Druckentlastungsventils, wobei Abschnitte
entfernt sind, um innere Einzelheiten zu zeigen;
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5 einen
halbschematischen Schnitt des Druckentlastungsventils ähnlich 3,
wobei das Ventil in einer geschlossenen Position dargestellt ist;
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6 ein
Diagramm einer Kraftstoffdruckspitze in einer Kraftstoffschiene
des rückkehrfreien, schleifenförmigen Kraftstoffeinspritzsystems
unter Verwendung eines bevorzugten Druckentlastungsventils vom Membrantyp;
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7 ein
Diagramm einer Kraftstoffdruckspitze in einer Kraftstoffschiene
eines rückkehrfreien, schleifenförmigen Kraftstoffeinspritzsystems
unter Verwendung eines Druckentlastungsventils vom auf- und abgehenden
Typ;
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8 einen
halbschematischen Schnitt einer Druck ventileinheit mit einem Druckentlastungsventil ähnlich 5,
wobei ein integriertes Sperrventil im Detail dargestellt ist;
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9 eine
perspektivische Ansicht der Druckventileinheit der 8;
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10 einen
Schnitt durch die Druckventileinheit entlang Linie 10-10 in 9;
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11 einen
Schnitt durch die Druckventileinheit entlang Linie 11-11 in 9;
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12 eine
schematische Darstellung eines rückkehrfreien,
schleifenförmigen
Kraftstoffsystems unter Anwendung eines zweiten Aspektes einer Druckventileinheit;
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13 einen
Schnitt der Druckventileinheit der 12 in
einer offenen Position; und
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14 einen
Schnitt der Druckventileinheit der
-
12 in
einer geschlossenen Position.
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Wie
am besten in 2 gezeigt, besitzt ein rückkehrfreies,
schleifenförmiges
Kraftstoffsystem 20 der vorliegenden Erfindung eine Turbinenkraftstoffpumpe 22 mit
veränderlicher
Drehzahl, die vorzugsweise in einem Kraftstofftank 24 angeordnet
ist, der Kraftstoff einer Reihe von Einspritzvorrichtungen 26 zuführt, welche
Kraftstoff von einem gemeinsamen Verteilerrohr oder einer Kraftstoff schiene 28 entsprechenden
Verbrennungskammern eines Motors 23 zuführen. Die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 22 wird über einen
Computer oder eine Steuereinheit 30 (vorzugsweise Teil
der Zentraleinheit des Fahrzeugmotors) gesteuert, der bzw. die ein
Eingangssignal 32 von einem Druckgeber 34 empfängt, welcher
an der Kraftstoffschiene 28 montiert ist, und der bzw.
die dann das Signal verarbeitet und ein Drehzahlsteuersignal 36 an
die Pumpe 22 abgibt. Vorzugsweise variiert der Druck an
der Kraftstoffschiene 28 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl
oder einer Verbrauchsanforderung und irgendeines anderen einer Vielzahl
von Motorparametern, die von der Steuereinheit 30 verarbeitet
werden.
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Eine
Druckventileinheit 38 besitzt ein Druckentlastungs-, Regulier-
oder Steuerventil 39, das in einer Kraftstoffleitung 40 angeordnet
ist, welche sich zwischen der Kraftstoffpumpe 22 und der
Kraftstoffschiene 28 des Motors 23 befindet. Das
Druckentlastungsventil 39 ist kein Sperrventil bzw. Rückschlagventil
und in der Lage, einen Kraftstoffdurchfluss in beiden Richtungen
zuzulassen, so dass eine herkömmliche
Kraftstoffrückführleitung
zum Reduzieren des Drucks an der Schiene oder an irgendeinem Punkt
dazwischen nicht erforderlich ist. Wenn sich das Entlastungsventil 39 in
einer geschlossenen Position 42 befindet (5),
ist ein pumpenseitiger Kanal oder eine Öffnung 44 der Druckventileinheit 38 generell
gegenüber
einem motorseitigen oder schienenseitigen Kanal oder einer entsprechenden Öffnung 46 der
Einheit isoliert. Wenn sich das Druckentlastungsventil 38 in
einer offenen Position 48 befindet (3), kann
Kraftstoff in jeder Richtung durch die Ventileinheit in Abhängigkeit
von den Bedürfnissen des
Kraftstoffsystems 20 fließen.
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Vor
dem Starten des Motors 23 an einem Tag mit einer relativ
milden Temperatur sollte sich der Druck des restlichen Kraftstoffes
in der Kraftstoffschiene 28 in der Nähe oder im wesentlichen unter dem
Leerlaufdruck befinden, während
während
des Leerlaufbetriebes des Motors der Leerlaufdruck der Kraftstoffschiene 28 durch
Veränderung
der Drehzahl der Kraftstoffpumpe 22 gesteuert wird. Irgendein Kraftstoffdruckanstieg
des in der Schiene eingefangenen Kraftstoffes, der durch Restwärme vom
Motorauslasskrümmer
oder durch im Motorabteil erzeugte Wärme verursacht wird, wenn beispielsweise das
Fahrzeug an einem heißen
Tag Hitze ausgesetzt ist, wird durch das Druckentlastungsventil 39 abgebaut,
das sich öffnet,
so dass Kraftstoff von der Schiene und zurück durch einen Laufradraum 25 der Pumpe 22 sowie
zum Kraftstofftank fließen
kann. Um eine Bewegung von der geschlossenen Position 42 in die
offene Position 48 durchzuführen, muss die vom Druck des
restlichen Kraftstoffes ausgeübte
Kraft an der schienenseitigen Öffnung 46 die
Schließvorspannkraft
F des Ventils 38, die das Ventil normalerweise geschlossen
hält, wenn
der Kraftstoffdruck an der pumpenseitigen Öffnung 44 Atmosphärendruck oder
dem Bezugsdruck entspricht, übersteigen.
Anderenfalls unterstützt
der positive Druck des restlichen Kraftstoffes an der pumpenseitigen Öffnung 44 die Öffnung des
Ventils 38, um den Kraftstoffdruck an der Schiene 28 abzubauen,
obwohl dieser geringer ist als der restliche Druck an der schienenseitigen Öffnung 46.
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Wie
die 3-5 zeigen, beginnt beim ersten
Starten des Motors 23 die Pumpe 22 Kraftstoff zu
fördern
und beginnen die Einspritzvorrichtungen 26 sich zyklisch
zu öffnen.
Der pumpenseitige Öffnungsdruck
steigt sprungartig an, um den Kraftstoffbedarf der sich zyklisch öffnenden
Einspritzvorrichtungen 26 zu erfüllen. Die vom sprungartig ansteigenden
Kraftstoffdruck an der pumpenseitigen Öffnung 44 ausgeübte Kraft öffnet in
Verbindung mit der vom Druck des restlichen Kraftstoffes an der
schienenseitigen Öffnung 46 ausgeübten Kraft
das Ventil 38, wenn die kombinierten Kräfte die Vorspannkraft F des
Ventils 39 übersteigen.
Wenn der Motor 23 einmal gestartet und das Kraftstoffentlastungsventil 39 offen
ist, stellt sich die Drehzahl der Pumpe 22 ein, um einen
Leerlaufkraftstoffdruck oder minimalen Kraftstoffdruck an der Schiene 28 aufrechtzuerhalten,
wenn sich der Motor im Leerlaufzustand befindet.
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Bei
verbesserten Kraftstoffsystemen beginnen die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 26 während des
Startens sich nicht zyklisch zu öffnen,
bis der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene den minimalen Leerlaufdruck
erreicht. Daher wird die Pumpe 22 anfangs erst initiiert
und öffnen
sich die Einspritzvorrichtungen 26 erst zyklisch, nachdem
der Leerlaufbetriebsdruck an der Schien 28 erreicht worden
ist. Diese Vorgehensweise wird besonders bevorzugt, wenn sich der
Druck des in der Schiene 28 eingefangenen heißen Kraftstoffes
durch das Kraftstoffentlastungsventil 38 auf Leerlaufdruck
abgebaut hat und der Druck durch die Abkühlung des Kraftstoffes weiter auf
einen reduzierten Restdruck abfällt,
der wesentlich unter dem erforderlichen Leerlaufdruck liegt, so dass
mehr Zeit für
die Pumpe 22 erforderlich ist, um den Kraftstoffdruck vor
dem Einspritzvorrichtungszyklus wieder auf Leerlaufbetriebsniveaus
zu bringen. Irgendeine Kraftstoffleckage durch die Einspritzvorrichtungen
kann diesen Zustand nur verschlimmern, da der Restdruck weiter abfällt. In
jedem Fall bleibt der Restkraftstoffdruck in der Schiene 28 theoretisch hoch
genug, um die Verdampfung des Kraftstoffes oder einen Lufteintritt
in die Kraftstoffsschiene zu verhindern, was den Startvorgang behindern
und rauhe Leerlaufbedingungen verursachen kann. In entsprechender
Weise können
bei verbesserten Kraftstoffsystemen während des Startens der Bereich
des Ventils 39, der mit der Schiene 28 in Verbindung steht,
und der Bereich des Ventils 39, der mit der Pumpe 22 in
Verbindung steht, so dimensioniert und die Vorspannkraft F so spezifiziert
werden, dass der Kraftstoffdruck, der in der Kraftstoffschiene aufrechterhalten
wird, wenn der Motor 23 ausgeschaltet ist, dem Leerlaufbetriebsdruck
entspricht oder höher
als dieser ist. Durch diesen Zustand wird die Erzeugung von Dampf
in der Kraftstoffschiene 28 während Bedingungen, bei denen
heißer
Kraftstoff vorhanden und der Motor ausgeschaltet ist, minimiert.
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Wenn
die Motordrehzahl ansteigt, nehmen vorzugsweise der Kraftstoffdurchfluss
und der erforderliche Kraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene 28 zu.
Dieser Druckanstieg ist insbesondere bei Motoren mit Turbolader
der Fall, bei denen der Kraftstoffschienendruck bei Bedingungen
einer weitgeöffneten Drosselklappe
typischerweise etwa doppelt so groß ist wie der erforderliche
Kraftstoffdruck bei Leerlauf. Wenn ein Motor mit weitgeöffneter
Drosselklappe läuft
und plötzlich
auf einen Schiebebetriebszustand verzögert wird, können die
Einspritzvorrichtungen 26 plötzlich zu einem Zeitpunkt über Sekunden
geschlossen bleiben. Obwohl die Kraftstoffpumpe 22 in wirksamer
Weise gestoppt werden kann, müssen noch
hohe Kraftstoffdrücke
in der Schiene abgebaut werden, um den Schienendruck im wesentlichen
auf Leerlaufdruck zu reduzieren. Übermäßige Wärme vom Motor 23 verschlimmert
diesen Überdruckzustand
durch Erhitzen des eingefangenen Kraftstoffes. Daher muss Kraftstoff
von der Schiene durch das offene Druckentlastungsventil 39 der
Druckventileinheit 28 und zurück zum Laufradraum 25 der
leerlaufenden Pumpe 22 fließen. Es wird davon ausgegangen,
dass die Reaktionszeit für
diese Druckabfall kurz ist, da sich das Druckentlastungsventil 39 während des
Zustandes der weitgeöffneten
Drosselklappe des Motors aus seiner offenen Position 48 tatsächlich nicht
vollständig
schließt.
Mit anderen Worten, die durch den Kraftstoffdruck an der pumpenseitigen Öffnung 44 ausgeübte Kraft
und die durch den Kraftstoffdruck an der schienenseitigen Öffnung 46 ausgeübte Kraft
fallen niemals unter die Schließvorspannkraft
F des Ventils 39, die, wie vorstehend beschrieben, im wesentlichen
in der Nähe
des erforderlichen Kraftstoffleerlaufdrucks an der Schiene liegt.
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Wenn
der Motor 23 außer
Betrieb gesetzt wird, stoppen die Einspritzvorrichtungen 26 den
zyklischen Öffnungsvorgang
und stoppt die Pumpe. Das Druckentlastungsventil 39 verbleibt
in seiner offenen Position 48, bis die durch den Kraftstoffdruck
an der schienenseitigen Öffnung 46 ausgeübte Kraft
der Schließvorspannkraft
F des Druckentlastungsventils 39 entspricht oder geringfügig geringer
als diese ist, wobei sich an diesem Punkt das Ventil in die geschlos sene
Position 42 bewegt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass
der Kraftstoffdruck an der pumpenseitigen Öffnung 44 im wesentlichen auf
atmosphärischen
Druck fällt
und das Ventil 39 zur Atmosphäre entlüftet wird.
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Wie
die 3-6 zeigen, stehen die Öffnungen 44, 46 miteinander über eine
dazwischen angeordnete zylindrische Kraftstoffkammer 50 in
Verbindung, die generell zwischen einem Körper 78 des Ventils 38 und
einem Ventilkopf oder einer elastischen Membraneinheit 56 gebildet
wird, wenn sich das Ventil in der offenen Position 48 befindet.
Vorzugsweise ist das Druckentlastungsventil 39 passiv und
wird von einer Feder 54 mit einer bekannten Kraft und einem
bekannten Kompressionskoeffizienten oder einer bekannten Federkraft
in die geschlossene Position 42 vorgespannt, so dass auf
diese Weise eine bekannte Kraft auf die Membraneinheit 56 ausgeübt wird,
die auf abgedichtete Weise mit einem Ventilsitz 58 in Eingriff
tritt.
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Der
Ventilkopf 56 kann die Form eines auf- und abgehenden Ventils
oder eines Kugellagerkopfes annehmen. Wie in 7 gezeigt,
neigen jedoch auf- und abgehende Ventile dazu, sich übermäßig stark
hin- und herzubewegen, wodurch Druckspitzen in der Kraftstoffschiene
erzeugt werden, die den sanften Lauf des Motors negativ beeinflussen
können.
Im Gegensatz dazu besitzt das bevorzugte Membranventil 38,
wie in 6 gezeigt, eine viel sanftere, jedoch in gleicher
Weise ansprechende Verhaltenskurve. Im Gegensatz zu einem auf- und
abgehenden Ventil, das sich immer bewegt und Schwingungen im Kraftstoffdruck
an der Schiene erzeugt, dämpft
das Membranventil diese Spitzen und führt zu einem Motor mit sanfterem
Lauf und weniger Geräuschen
und weniger Verschleiß.
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Der
Ventilkopf 56 besitzt eine elastische Membran 60 mit
einer Kraftstoffseite 62 und einer Bezugseite 64.
Die Kraftstoffkammer 50 ist zwischen dem Ventilkörper 78,
der die Öffnungen 44, 46 trägt, und
der Kraftstoffseite 62 der Membran 60 ausgebildet,
und eine Bezugskammer 51 befindet sich zwischen der Bezugsseite 64 der
Membran 60 und einem Gehäuse 68. Vorzugsweise
steht ein im wesentlichen starres Element oder eine Scheibe 66 mit
der Bezugsseite 64 der Membran 60 in Eingriff,
um die Feder 54 zu lagern, die zwischen dem Ventilgehäuse 68 und
der starren Scheibe 66 in der Bezugskammer 51 aufgenommen
und axial komprimiert oder vorgespannt ist. Die Feder 54 stellt
einen zuverlässigen Sitz
der Membran 60 am Ventilsitz 58 sicher.
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Der
Ventilsitz 58 besitzt eine im wesentlichen ringförmige Form
und wird vom Rand oder dem distalen Ende einer inneren Schulter 70 getragen,
die von einer Fläche 77 des
Ventilkörpers 78 nach
oben vorsteht. Eine äußere Schulter 72 ist
konzentrisch zur inneren Schulter 70 ausgebildet und radial
außerhalb hiervon
angeordnet. Sie steht in abgedichteter Weise sowohl mit dem Gehäuse 68 als
auch mit einem Umfangsrand 90 der Membran 60 in
Eingriff.
-
Eine
innere Öffnung 80,
die von der Oberfläche 77 des
Körpers 78 getragen
wird, bildet eine Verbindung zwischen der Kraftstoffkammer 82,
die von der Fläche 77 und
der Kraftstoffseite 62 der Membran 60 gebildet
wird, und der schienenseitigen Öffnung 46.
Wenn das Entlastungsventil 39 in der geschlossenen Position 42 ist,
steht die innere Öffnung 80 nur mit
einer im wesentlichen zylindrischen Schienenunterkammer 84 der
Kraftstoffkammer 82 in Verbindung, die teilweise von einem
im wesentlichen kreisförmigen
ersten Bereich oder inneren Abschnitt 74 der Kraftstoffseite 62 der
Membran 60 und einem im wesentlichen kreisförmigen Abschnitt
der Oberfläche 77 des
Körpers 78,
der radial einwärts
von der inneren Schulter 70 angeordnet ist, gebildet wird.
Eine äußere Öffnung 86,
die von einem ringförmigen
Abschnitt der Oberfläche 77 getragen
wird, der radial zwischen den Schultern 70, 72 des
Körpers 78 angeordnet
ist, steht in Verbindung mit einer Pumpenunterkammer 88 der
Kraftstoffkammer 82, die radial außerhalb der Schienenunterkammer 84 angeordnet und
hiervon durch die innere Schulter 70 oder den Sitz 58 getrennt
ist. Die Pumpenunterkammer 88 wird teilweise von dem im
wesentlichen ringförmigen zweiten
Bereich oder äußeren Abschnitt 76 der
Kraftstoffseite 62 der Membran 60 und dem ringförmigen Abschnitt
der Oberfläche 77 des
Körpers,
der radial zwischen den Schultern 70, 72 angeordnet
ist, gebildet.
-
Um
das Ventil 39 zu öffnen,
muss die auf die Kraftstoffseite 62 der Membran 60 ausgeübte gesamte
hydraulische Kraft größer sein
als die auf die Bezugsseite 64 ausgeübte gesamte Schließvorspannkraft
F, die sich im wesentlichen aus der Federkraft (erzeugt von der
Feder 54) und der vom Luftdruck innerhalb der Bezugskammer 51 erzeugten
Kraft zusammensetzt. Vorzugsweise wird die Bezugskammer 51 über die Öffnung 79,
die vom Gehäuse 68 getragen
wird, zur Atmosphäre
entlüftet,
so dass die Schließvorspannkraft
F im wesentlichen von der Federkraft allein gebildet wird. Die Bezugskammer 51 kann
jedoch auch zu anderen Bereichen entlüftet werden, wie den Unterdruckverteiler,
den Kraftstofftank oder den Einlass zur Kraftstoffpumpe, um den Druck
in der Kammer 51 zu variieren, der möglicherweise die Ventilbetätigung mit
variierenden dynamischen Eigenschaften des Motors korrelieren kann.
-
Wenn
man annimmt, dass die Bezugskammer 51 zur Atmosphäre entlüftet und
der Motor 23 stillgesetzt wird, so dass die pumpenseitige Öffnung 44 sich
im wesentlichen auf atmosphärischem
Druck befindet, verbleibt das Druckentlastungsventil 39 in der
normalerweise geschlossenen Position 42, bis die Vorspannkraft
F von der hydraulischen Kraft überschritten
wird, welche generell als Restkraftstoffdruck in der Kraftstoffschiene 28 oder
schienenseitigen Öffnung 46 multipliziert
mit dem freiliegenden oder kreisförmigen Bereich 74 berechnet
wird. Wenn diese hydraulische Kraft die Vorspannkraft F übersteigt,
wird das Ventil 39 anfangs aufgerissen, um den Druck abzubauen,
bis die hydraulische Kraft wieder geringfügig unter die Schließvorspannkraft
F abnimmt.
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Während des
Startens des Motors verbleibt das Druckentlastungsventil 39 in
seiner normalerweise geschlossenen Position 42, bis die
Vorspannkraft F von der entgegenwirkenden hydraulischen Kraft überschritten
wird, welche generell als Summe aus dem Produkt des Restdrucks an
der schienenseitigen Öffnung 46 mal
dem Bereich des kreisförmigen Bereiches 74 und
dem Produkt aus dem Kraftstoffdruck an der pumpenseitigen Öffnung 44 mal
dem Bereich des ringförmigen
Bereiches 46 berechnet wird. Wenn die hydrau lische Kraft
die Vorspann- oder Federkraft F übersteigt, öffnet das
Ventil 38 anfangs. Das Ventil bleibt dann offen, wenn der
hydraulische Druck, der als Kraftstoffdruck innerhalb der Kraftstoffkammer 50 mal
dem Gesamtbereich der Kraftstoffseite 62 der Membran 60 berechnet
wurde, über
der Schließvorspannkraft
F verbleibt.
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Während der
Konstruktion muss die Größe des inneren
Bereiches 74 oder das Verhältnis des Bereiches 74 zum
gesamten freiliegenden Bereich der Membranseite 62 im Vergleich
zur Schließvorspannkraft
F so dimensioniert werden, dass das Ventil 38 öffnet, wenn
der Schienendruck den minimalen Leerlaufdruck übersteigt. Des weiteren ist
der innere Bereich 74, der generell der schienenseitigen Öffnung 46 ausgesetzt
ist, kleiner als der äußere Bereich 76,
der generell der pumpenseitigen Öffnung 44 ausgesetzt
ist. Dies ist der Fall während
des Startens des Motors 23, und nach einer langen genügenden Stillliegezeit,
so dass der Restdruck an der Schiene nahe Null oder nahe atmosphärischem
Druck liegt, wird weniger Druck benötigt, um das Ventil 39 zu öffnen und
Kraftstoff der Schiene 28 zuzuführen als zum Öffnen des
Ventils 39 benötigt
wird, um den Restdruck von der Schiene 28 abzubauen, so
dass Kraftstoff zurück
zur leerlaufenden Pumpe 22 fließt.
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Wenn
der Motor 23 bei weitgeöffneter
Drosselklappe läuft,
können
die zyklisch arbeitenden Einspritzvorrichtungen 26 beispielsweise
einen Kraftstoffschienendruck von 500 kPa erfordern. Falls eine plötzliche
Verzögerung
stattfinden sollte, werden die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 26 ausgeschaltet und
fangen Kraftstoff in der Schiene 28 bei etwa 500 kPa ein,
was nicht bei dem Ventil 39 der Fall ist, das offen bleibt,
wenn die Einspritzvorrichtungen 26 tatsächlich etwa 200 kPa für den Leerlaufbetrieb
möchten.
Da das Druckentlastungsventil 39 offen bleibt, kann Kraftstoff
von der Schiene 28 durch die Pumpe 22 zurückfließen, um
den Kraftstoffdruck der Schiene sofort abzubauen oder zu reduzieren.
Diese unmittelbare Verringerung des Kraftstoffdrucks an der Schiene
verbessert die Kalibrierung der Einspritzvorrichtung durch Erhöhen der
Impulsbreite derselben.
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Für ein Motorsystem
mit Turbolader, das unter veränderlichen
Druckbedingungen arbeitet, kann der erforderliche Kraftstoffschienendruck
bei weit offener Drosselklappe 5 bar betragen, während der gewünschte Motorleerlaufdruck
an der Kraftstoffschiene 2,5 bar beträgt. In herkömmlicher Weise fordern rückkehrfreie,
schleifenförmige
Kraftstoffeinspritzsysteme oder sogar solche mit T-Konfiguration,
wie in 1 gezeigt, dass das Druckentlastungssperrventil 19 etwa
5 bar betätigt.
Im Gegensatz dazu erfordert das Druckentlastungsventil 39 des
rückkehrfreien, schleifenförmigen Kraftstoffeinspritzsystems 20 der Parallel-Konfiguration
eine Einstellung des Druckentlastungsventils 39 von nur
2,5 bar gegenüber
dem Kraftstoffstrom selbst in der Entlastungsrichtung oder umgekehrten
Richtung. Wenn daher der Motor 23 ausgestellt wird, fällt der
Kraftstoffschienendruck unmittelbar auf 2,5 bar im Gegensatz zum
System des Standes der Technik, bei dem der Kraftstoffdruck auf 5
bar gehalten wird, was daher anfälliger
ist gegenüber
einer Kraftstoffleckage durch die Einspritzvorrichtungen und gegenüber Szenarios
mit einem unerwünschten
fetten Motorstart. Das Druckentlastungsventil 39 der vorliegenden
Er findung kann jedoch das Durchflusssperrventil 14 am Auslass 18 der
Pumpe 16 eines herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzsystems 10 mit T-Konfiguration ersetzen.
Bei diesem Anwendungsfall muss die Kraftstoffschiene des Systems
mit T-Konfiguration
keinen hohen inneren Kraftstoffdrücken ausgesetzt werden, wenn
der Motor stillgesetzt wird. Dies hat den Vorteil einer Reduzierung
der Wahrscheinlichkeit des Leckens der Einspritzvorrichtung.
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Bei
einem idealen Motor arbeitet die Druckventileinheit 38 in
ausreichender Weise, wie vorstehend beschrieben, mit nur dem Druckentlastungs- oder
Steuerventil 39. Bei ausgewählten Motoren, die eine robustere
Konstruktion erfordern, wie solche, die extremen Wetter- oder Temperaturbedingungen ausgesetzt
sind, welche in signifikanter Weise die Batteriespannung herabsetzen
oder das Festsetzen von Dampf innerhalb der Kraftstoffschiene 28 bewirken
können,
ist vorzugsweise ein Rückschlagventil oder
Sperrventil 100 in die Druckventileinheit 38 integriert,
wie am besten in den
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8-11 gezeigt.
Das Sperrventil 100 ist so orientiert, dass es das Druckentlastungsventil 39 umgeht
und ermöglicht,
dass Kraftstoff von der pumpenseitigen Öffnung 44 zur schienenseitigen Öffnung 46 fließen kann,
wenn die Kraftstoffpumpe 22 aufgrund der niedrigen Spannung,
die keinen ausreichenden Druck zum Öffnen des Druckentlastungsventils 39 erzeugt,
mit niedriger Ausgangsleistung läuft
oder wenn die Pumpe 22 nicht läuft und infolge von kaltem
Wetter ein unteratmosphärischer
Druck oder Unterdruck in der Kraftstoffschiene 28 erzeugt wird.
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Im
Gegensatz zum Druckentlastungsventil 39 vom Membrantyp
ist das Sperrventil 100 vorzugsweise ein auf- und abgehendes
Ventil (Tellerventil) oder Kugelventil mit einer Druckfeder 108,
die eine Vorspannkraft erzeugt, um das Ventil 100 normalerweise
geschlossen zu halten. Diese Vorspannkraft ist beträchtlich
geringer als die Vorspannkraft der Druckfeder 54, die das
Druckentlastungsventil 39 geschlossen hält. Wenn beispielsweise während des Startens
der Motor 23 200 kPa an der Schiene 28 benötigt, um
im Leerlauf zu arbeiten, muss die Pumpe einen Kraftstoffdruck, der
im wesentlichen nahe 200 kPa (keinen Differenzdruck) liegt, gegen
den ringförmigen
zweiten Bereich 76 der Membraneinheit 60 erzeugen,
um das Druckentlastungsventil 39 zu öffnen. Dies setzt voraus, dass
der Kraftstoffschienendruck, der den ersten Bereich 74 der
Membran 60 beaufschlagt, im wesentlichen nahe atmosphärischem Druck
liegt, wie dies bei der Bezugskammer 51 der Fall ist, so
dass wenig oder überhaupt
keine Unterstützung
beim Öffnen
des Entlastungsventils 39 vorhanden ist. Im Gegensatz dazu
kann das Öffnen
des Sperrventils 100 einen Differenzdruck von nur etwa 20
kPa erfordern. Wenn daher der Kraftstoffschienendruck atmosphärischem
Druck entspricht, öffnet das
Durchflusssperrventil 100, wenn der Kraftstoffdruck im
pumpenseitigen Kanal 44 20 kPa erreicht. Selbst wenn sich
daher das Druckentlastungsventil 39 nicht öffnet, ist
der Kraftstoffdurchfluss durch das Sperrventil 100 ausreichend,
um den Motor 23 während
Bedingungen niedriger Spannung zu starten, so dass die Betriebsspannungsniveaus
erhöht
werden, wodurch wiederum die Ausgangsleistung der Kraftstoffpumpe 22 verbessert
wird und die Kraftstoffdruckniveaus angehoben werden, um das Druckentlastungsventil 39 für einen
kontinuierlichen Motorbetrieb zu öffnen. Wenn das Druckentlastungsventil 39 öffnet, steigt
der Druck in der Kraftstoffschiene 28 im wesentlichen auf
den Kraftstoffdruck im pumpenseitigen Kanal oder der Öffnung 44 an.
Der Differenzdruck über
das Sperrventil 100 fällt
somit unter 20 kPa, und das Sperrventil 100 schließt, während das Druckentlastungsventil 39 offen
bleibt.
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Während des
Motorstarts bei Normaltemperatur, wenn die Spannungsniveaus nicht
wesentlich herabgesetzt sind und die Pumpenausgangsleistung in einem
normalen Bereich liegt, steigt der Kraftstoffdruck im pumpenseitigen
Kanal 44 rasch auf das Kraftstoffdruckniveau an, das für den Leerlaufbetrieb des
Motors und das Öffnen
des Druckentlastungsventils 39 benötigt wird. Während dieser
kurzen Druckanstiegsperiode kann das Durchflusssperrventil 100 kurzzeitig
hin- und herflattern, trägt
jedoch nicht signifikant zum Motorstart bei. Jeglicher Kraftstoffzufluss,
der in die Kraftstoffschiene 28 über das flatternde Sperrventil 100 eindringt,
trägt nur
zum Öffnen
des Druckentlastungsventils 39 durch Erhöhung des
Kraftstoffdrucks in der Kraftstoffschiene bei, wodurch wiederum
ein positiver Druck gegen den ersten Bereich 74 der Kraftstoffseite 62 der
Membran 60 ausgeübt
wird.
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Das
Sperrventil 100 verhindert ferner ein unerwünschtes
Kraftstoffdampffestsetzen an der Schiene 28 während kalten
Wetters und/oder abnehmender Temperatur im Motorabteil, die einen
Motorstart verhindern könnten,
zu einem rauben Leerlauf des Motors 23 führen könnten oder
in einfacher Weise einen Unterdruck gegen den kreisförmigen ersten
Bereich 74 der Membran 60 induzieren könnten, wodurch
es für
die Pumpe 22 schwieriger wird, das Druckentlastungsventil 39 zu öffnen. Wenn
beispielsweise ein heißer
Motor im Leerlauf stillgesetzt wird, existiert eine heiße Durchwärmperiode
typischerweise von 5 bis 10 Minuten, in der die Außentemperaturen an
der Kraftstoffschiene 28 infolge der Restwärme, die
von umgebenden Wärmestrahlern,
wie beispielsweise dem Auslasskrümmer,
abgegeben werden kann, weiter ansteigen können. Diese Restwärme verursacht,
dass die Kraftstofftemperatur in der Kraftstoffschiene 28 noch
weiter ansteigt und sich der Druck des eingefangenen Kraftstoffes
erhöht,
bis das Druckentlastungsventil 39 kurz öffnet, um den überschüssigen Kraftstoffschienendruck
abzubauen. Nachdem die Durchwärmperiode
beendet worden ist und der Motor abgekühlt ist, insbesondere wenn
die äußeren Temperaturen
in kühlere
Bereiche abgefallen sind, kann der Druck des eingefangenen Kraftstoffes
in der Schiene 28 unter Atmosphärendruck abfallen, wodurch
ein Unterdruck auf die festgeschlossene Membran 60 des
Entlastungsventils 39 ausgeübt wird. Wenn der Motor unter
dieser Bedingung gestartet wird, muss der Unterdruck der Schiene
von der Kraftstoffpumpe 22 überwunden werden, bevor sich
das Druckentlastungsventil 39 öffnet. Des weiteren senkt der
unteratmosphärische
Druck innerhalb der Schiene 28 den Flüssigkeits-Dampf-Übergangspunkt
des eingefangenen Kraftstoffes ab, so dass die Neigung zum unerwünschten
Festsitzen des Dampfes besteht.
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Durch
die Einarbeitung des Sperrventils 100 in die Druckventileinheit 38 werden
die vorstehend erwähnten
Probleme einer Unterdruckentwicklung in der Kraftstoffschiene 28 gelöst. Wenn
man beispielsweise annimmt, dass der Kraftstoffdruck an der Pumpe 22 und
der Öffnung 44 atmosphärischem
Druck entspricht und der Motor abgestellt ist, öffnet sich das Sperrventil 100 und
setzt die Schiene 28 dem atmosphärischen Druck der Öffnung 44 aus,
wenn der Druck innerhalb der Schiene 28 unter einen vorgegebenen
Wert fällt,
wie beispielsweise einen negativen Druck von 20 kPa wie in dem obigen
Beispiel. Daher ist das Druckentlastungsventil 39 niemals
einem größeren Unterdruck
als dem vorgegebenen Wert oder 20 kPa ausgesetzt, und der Kraftstoffdampfübergangspunkt
wird niemals so nachteilig beeinflusst, dass er zu einem Festsitzen
von Dampf in der Kraftstoffschiene 28 führt.
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Daher
muss gemäß dem vorstehend
beschriebenen Beispiel während
des Motorstarts die Kraftstoffpumpe 22 einen Kraftstoffdruck
in der Öffnung
oder im Kanal 44 erzeugen, der geringfügig über 200 kPa liegt, um den geringfügigen Unterdruck in
der Kraftstoffschiene 28 zu kompensieren. Genauer gesagt,
wenn man davon ausgeht, dass die Bezugskammer 51 atmosphärischem
Druck ausgesetzt ist und das Flattern des Sperrventils 100 nicht
signifikant ist, muss die auf die Kraftstoffseite 62 der
Membran 60 ausgeübte
Kraft die Vorspannkraft der Feder 54 übersteigen, die auf die Bezugsseite
der Membran ausgeübt
wird, um das Druckentlastungsventil 39 zu öffnen. Wenn
ein Unterdruck auf der Schienenseite (minimiert durch das Sperrventil 100)
vorhanden ist und die vorgegebene Kraft, die zum Öffnen des
Druckentlastungsventils 39 erforderlich ist, generell aus dem
Produkt des Membranbereiches des zweiten oder äußeren Bereiches 76 und
dem Kraftstoffdruck in der Öffnung 44 plus dem
Produkt aus dem Membranbereich des zweiten oder inneren Bereiches 74 und
dem Kraftstoffdruck in der Öffnung 46 oder
der Kraftstoffschiene 28 berechnet wird, muss der positive
Kraftstoffdruck in der Öffnung 44 erhöht werden, um
den negativen Kraftstoffdruck in der Öffnung 46 zu kompensieren.
Diese Kompensation des Kraftstoffdrucks ist ebenfalls eine Funktion
der Bereiche 74, 76.
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Wie
die 10 und 11 zeigen,
wird ein generell ringförmiger
Ventilsitz 102 des auf- und abgehenden Sperrventils 100 vom
kraftstoffresistenten Kunststoffkörper 78 der Druckventileinheit 38 getragen.
Ein metallischer, nach vorne abgeschrägter vergrößerter Kopf 104 des
Sperrventils 100 ist konzentrisch an einem Ende eines länglichen
Metallschaftes 106 angeordnet und wird in abgedichteter
Weise durch die Druckfeder 108 gegen den Sitz 102 gehalten,
wobei die Druckfeder eine vorgegebene Vorspannkraft gegen eine hintere
Ringfläche
des Kopfes 104 ausübt,
um das Sperrventil 100 geschlossen zu halten oder vorzuspannen.
Die Feder 108 ist um den Schaft 106 angeordnet
und wird axial zwischen dem vergrößerten Kopf 104 und
einem Körperabschnitt 110,
der starr mit dem Körper 78 der
Druckventileinheit 38 im schienenseitigen Kanal oder der Öffnung 46 in
Eingriff steht, zusammengepresst. Der Körper 78 bildet einen
Einlasskanal 112, der von einem Mittelpunkt des pumpenseitigen
Kanals 44 T-förmig
abzweigt und zu einem Ventilkopf 104 und einem nach hinten
weisenden Sitz 102 führt.
Wenn das Sperrventil 100 offen ist, steht ein Auslasskanal 114 mit
dem Einlasskanal 112 in Verbindung und erstreckt sich T-förmig zu
einem Mittelpunkt des schienenseitigen Kanals 46. Der Ventilkopf 104 ist
generell im Kanal 112, 114 angeordnet, und der
Ventilschaft 106 steht vom Kopf 104 in den schienenseitigen
Kanal 46 vor und endet dort kurz vor der Schienenunterkammer 84.
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Wie
die 10 und 11 zeigen,
befindet sich das Sperrventil 100 im geschlossenen Zustand und
das Druckentlastungsventil 39 in einer offenen Position 48,
so dass generell ein Motorstartzustand, ein Zustand eines stetig
laufenden Motors oder ein Motorbeschleunigungszustand dargestellt
ist. In dieser Konfiguration fließt Kraftstoff in Richtung der
Pfeile 116 durch die L-förmige pumpenseitige Öffnung 44 (nicht
in 11 gezeigt) in die Kraftstoffkammer 50, dann
in die L-förmige
schienenseitige Öffnung 46, durch
die Hohlräume 118 der Öffnung 46,
die generell vom Körperabschnitt 110 und
dem Schaft 106 des Durchflusssperrventils 100 gebildet
werden, führt dann
eine Kurve von etwa 90° aus
und fließt
weiter durch die Öffnung 46 (die
sich wiederum in einer Richtung von der Blattebene der 10 nach
außen und
in 11 nach oben dreht) bis zur Kraftstoffschiene 28.
Wenn, wie vorstehend beschrieben, die Kraftstoffschiene 28 eine
Druckentlastung benötigt, möglicherweise
während
einer abrupten Verzögerung,
bleibt das Druckentlastungsventil 39 offen und der Kraftstoff
fließt
in umgekehrter Richtung entlang dem gleichen Weg, jedoch in einer
Richtung entgegengesetzt zum Pfeil 116. Wenn das Druckentlastungsventil 39 geschlossen
und das Durchflusssperrventil 100 offen ist, strömt Kraftstoff
in Richtung des Pfeils 120 teilweise entlang der Öffnung 44,
wird in den Einlasskanal 112 abgelenkt, fließt am nichtaufsitzenden
Kopf 104 (nicht gezeigt) vorbei in den Auslasskanal 114,
wird in die 90°-Biegung
der Öffnung 46 abgelenkt
und fließt
(generell aufwärts
von der Blattebene) zur Kraftstoffschiene 28. Im Gegensatz zum
Druckentlastungsventil 39 sieht das Durchflusssperrventil 100 keinen
rückwärtsgerichteten
Strömungsweg
vor.
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Die 12-14 zeigen
einen weiteren Aspekt eines rückkehrfreien,
schleifenförmigen
Kraftstoffsystems 20' mit
einem Kraftstoffpumpenmodul 130, der in einen Kraftstofftank 24' eingetaucht
ist. Eine Kraftstoffpumpe 22' des
Moduls 130 läuft
mit einer konstanten Drehzahl, um Kraftstoff durch ein Sperrventil 132,
einen Kraftstofffilter 134 und eine Kraftstoffleitung 40' zu einer Kraftstoffschiene 28' und mindestens
zu einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 26' zu leiten. Der Modul 130 umfasst
vorzugsweise eine Bypassleitung 136, die abstromseitig
den Filter 134 mit der Kraftstoffleitung 40' verbindet. Wenn
die Pumpe 22' mit
konstanter Drehzahl läuft, hält generell
unabhängig
von der Motordrehzahl ein Druckregler oder ein Druckregelventil 138 des
Moduls 130 den Kraftstoffdruck im wesentlichen an der Kraftstoffschiene 28' konstant. Im
offenen Zustand lenkt das Druckregelventil 138, das an
der Bypassleitung 136 angeordnet ist, überschüssigen Kraftstoff von der Kraftstoffleitung 40' von der Kraftstoffschiene 28' zurück in den
Tank 24',
so dass auf diese Weise der Kraftstoffdruck an der Schiene 28' im wesentlichen
unabhängig
vom Kraftstofffluss durch die Einspritzvorrichtungen 26' auf einem vorgegebenen
Betriebsdruck gehalten wird.
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Generell
fällt bei
stillgesetztem Motor 23' der Kraftstoffdruck
in der Kraftstoffleitung 40' in
der Schiene 28' unter
den Betriebsdruck über
eine bestimmte Zeitdauer. Wenn je doch beispielsweise Restwärme des
Motors oder der Umgebung eine Expansion des eingefangenen Kraftstoffes
und einen Anstieg des Kraftstoffdrucks über den Betriebsdruck verursacht,
fluktuiert das normalerweise in einen geschlossenen Zustand vorgespannte
Druckregelventil 138 in einen offenen Zustand, um durch
Rückführen von
Kraftstoff in den Tank 24' den
Druck abzubauen. Da somit der Kraftstoffdruck an der Schiene 28' niemals die
Betriebsdrücke,
wenn der Motor stillgesetzt ist, übersteigt und generell wesentlich
geringer ist als der Betriebsdruck, ist die Wahrscheinlichkeit für ein Lecken
von Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtungen 26' sehr viel geringer
als bei einer Speicherung von Kraftstoff in der Schiene bei Drücken, die
wesentlich höher
sind als der Betriebsdruck.
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Wenn
der Motor über
eine ausgedehnte Zeitdauer stillgesetzt ist, fällt wahrscheinlich der Kraftstoffdruck
in der Schiene 28' auf
Atmosphärendruck oder
einen relativ niedrigen Druck ab, der zu einer teilweisen Verdampfung
führt,
welche möglicherweise
einen rauhen oder verlängerten
Motorstart bewirkt. Um den unerwünschten
Dampf während
des Motorstarts zu kompensieren und zu eliminieren, ist eine Druckventileinheit 38', vorzugsweise
des Pumpenmoduls 130, in der Bypassleitung 136 aufstromseitig
des Druckregelventils 138 angeordnet. Die Druckventileinheit 38' besitzt ein
Drucksteuerventil 39',
das eine entsprechende Konstruktion wie das vorstehend beschriebene
Ventil 39 hat, und ist in einem normalerweise geschlossenen
Zustand vorgespannt, wodurch der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung 40' während Motorstarts
einen Spitzenwert einnimmt, um auf diese Weise den Dampf in die
flüssige
Form zu kondensieren.
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Genauer
gesagt, wenn der Motor 23' läuft und
die Pumpe 22' mit
konstanter Drehzahl arbeitet, verbleibt das normalerweise in den
geschlossenen Zustand vorgespannte Drucksteuerventil 39' der Druckventileinheit 38' kontinuierlich
offen und bringt den Kraftstoffdruck an der Schiene 28' mit dem Regler 138 über die
Bypassleitung 136 in Verbindung, die den Druck auf den
Systembetriebsdruck regelt. Der Betriebsdruck wirkt sowohl auf einen
kleineren ersten Bereich 74' als
auch einen größeren zweiten
Bereich 76' einer
Kraftstoffseite 62' einer
Membran 60' des Drucksteuerventils 39' ein. Die kombinierten
Bereiche multipliziert mit dem im wesentlichen gleichmäßigen Betriebsdruck über die
Bereiche 74', 76' erzeugen eine
Kraft auf die Membran, die ausreicht, um die Schließvorspannkraft
einer entgegengesetzt wirkenden Druckfeder 54' zu überwinden
und somit das Ventil 39' kontinuierlich
offen zu halten, so dass der Regler 138 den Systemdruck
regeln kann.
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Wenn
der Motor 23' anfangs
stillgesetzt ist, bleibt das Drucksteuerventil 39' offen, und
der Regler 138 steuert weiterhin den Kraftstoffdruck und
verhindert, dass dieser den Systembetriebsdruck übersteigt, so dass eine mögliche Kraftstoffexpansion kompensiert
wird. Über
eine ausgedehnte Zeitdauer fällt
der Kraftstoffdruck im System 20' unter einen Schließdrucksollpunkt
des Drucksteuerventils 39', der
geringer ist als der Systembetriebsdruck, und überwindet die Schließvorspannkraft
der Feder 54', die
durch den Kraftstoffdruck erzeugte entgegengesetzt wirkende Kraft,
so dass das Ventil 39' geschlossen
wird und den Regler 138 im wesentlichen isoliert.
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Über eine
noch größere Zeitdauer
bei stillgesetztem Motor 23' und
geschlossenem Drucksteuerventil 39' nähert sich das System 20' generell Atmosphärendruck
auf der Einlassseite und Auslassseite der Druckventileinheit 38' an. Der niedrigere
Kraftstoffdruck wird gewünscht,
um die Möglichkeit
eines Kraftstoffleckens an den Einspritzvorrichtungen 26' auszuschalten,
kann jedoch ebenfalls zu einer unerwünschten Verdampfung in der
Kraftstoffleitung 40' und
der Kraftstoffschiene 28' führen. Ohne
Entfernung kann dieser Dampf zu einem rauen oder verlängerten
Start des Motors 23' führen.
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Während des
Startens des Motors unter Verwendung des Kraftstoffsystems 20' der vorliegenden Erfindung öffnet jedoch
das Drucksteuerventil 39' nicht
sofort, so dass der Regler 138 nicht sofort den Systembetriebsdruck
regelt. Stattdessen steigt der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung 40' und somit an
der Einlassöffnung 46' der Druckventileinheit 38' kurz auf einen Öffnungsschwellenwert
an, der mindestens doppelt so groß ist wie der Systembetriebsdruck.
In einem Kraftstoffsystem mit einem Systembetriebsdruck von beispielsweise
etwa 300 kPa öffnet
sich das Kraftstoffsteuerventil 39' nicht, bis der kleinere erste
Bereich 74' einem
Spitzendruck oder einem Öffnungsschwellendruck
von etwa 800 kPa ausgesetzt ist, wobei dieser Druck im wesentlichen die
Kraft gegen den ersten Bereich 74' erzeugt, die zum Überwinden
der Federvorspannkraft erforderlich ist. Dies setzt voraus, dass
der Druck auf der Reglerseite an der Auslassöffnung 44' der Druckventileinheit 38', der auf den
größeren zweiten
Bereich 76' einwirkt,
im wesentlichen atmosphä rischem
Druck entspricht und wenig zur Öffnungskraft
beiträgt.
Bei einem Spitzendruck von 800 kPa kondensiert jeglicher Dampf in
der Kraftstoffleitung 40' und
der Schiene 28' wieder
in flüssige
Form und sorgt für
einen sanften und raschen Start des Motors 23'.
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Im
Augenblick des Motorstarts oder unmittelbar danach öffnet sich
das Drucksteuerventil 39' infolge
der Druckspitze. Der Kraftstoffdruck an der Kraftstoffleitung 40' und der Schiene 28' fällt dann
abrupt auf den Systembetriebsdruck, da sich der Regler 138 sofort öffnet, wenn
er dem hohen Druck der Kraftstoffleitung 40' über das offene Drucksteuerventil 39' und die Bypassleitung 136 ausgesetzt
ist. Wenn einmal der Betriebsdruck erreicht ist, öffnet und
schließt
der Regler 138 intermittierend, um den Druck auf etwa 300
kPa zu halten. Während
des Abfalls des Kraftstoffdrucks von 800 kPa auf 300 kPa und selbst
während
der Zeitdauer, in der der Regler 138 den Systembetriebsdruck
auf etwa 300 kPa hält, verbleibt
das Drucksteuerventil 39' offen,
da auch der größere zweite
Bereich 76' der
Kraftstoffseite 62' der Membran 60' abstromseitig
des Ventilsitzes 58' zusätzlich zur
auf den ersten Bereich 74' ausgeübten Öffnungskraft
dem Systembetriebsdruck ausgesetzt ist, wobei beide zusammen die
Vorspannschließkraft F
des Ventils 39' überwinden.
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Wenn
der Motor stillgesetzt wird, so lange wie der Regler 138 etwa
300 kPa oder den Systembetriebsdruck aufrechterhält, bleibt das Drucksteuerventil 39' offen. Wenn
der Motor in einem heißen
Zustand gestartet wird, kurz nachdem der Motor stillgesetzt wurde,
hat sich noch kein Dampf im System angesammelt und übersteigt
der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffleitung 40' nicht den Betriebsdruck,
da das Drucksteuerventil 39' noch
offen ist. Wenn jedoch der Motor im ausgeschalteten Zustand verbleibt,
fällt der Druck
in der Kraftstoffleitung 40' rechtzeitig
unter den Schließdrucksollpunkt
des Drucksteuerventils 39',
so dass das Ventil in der vorstehend beschriebenen Weise schließt.
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Vorzugsweise
besitzt die Druckventileinheit 38' eine sehr kleine Öffnung 100', die generell
das vorstehend beschriebene Sperrventil 100 ersetzt und eine
Druckentlastung über
dem Betriebsdruck für
die Kraftstoffleitung und die Schiene 40', 28' erzeugt, die durch Kraftstoffexpansion
verursacht wird, wenn der Motor stillgesetzt wird und das Drucksteuerventil 39' während einer
thermischen Durchwärmperiode
vorzeitig geschlossen hat. Die Öffnung 100' ist so orientiert,
dass sie das geschlossene Druckentlastungsventil 39' umgeht und
einen minimalen Kraftstoffdurchsatz von der Einlassöffnung 46' zur Auslassöffnung 44' ermöglicht,
wenn der Regler 138 danach geöffnet hat. Wie vorstehend beschrieben,
wird durch Aufrechterhaltung des Systemkraftstoffdrucks auf oder
unter dem Betriebsdruck (d.h. 300 kPa) jede Möglichkeit eines Kraftstoffleckens
durch die Einspritzvorrichtungen 26' beim Stillsetzen des Motors 23' reduziert.
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Die Öffnung 100' ist ausreichend
klein, generell im Bereich von μm,
um den Bypasskraftstoffstrom um das geschlossene Drucksteuerventil 39' zu begrenzen,
wenn der Motor gestartet wird. Die Pumpe 22' ist ausreichend dimensioniert,
um einen Spitzendruck (d.h. 800 kPa) zu erzeugen, damit das Ventil 39' beim Vorhandensein
der Öffnung 100' anfangs ge öffnet werden
kann. Darüber
hinaus ist die Öffnung 100' ausreichend
groß,
so dass im Kraftstoff vorhandene Partikel die Öffnung nicht verstopfen können. Üblicherweise
besitzt die Öffnung 100' einen Lochdurchmesser
von etwa einem Tausendstel bis fünf Tausendstel
Zoll.
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Der
Körper 78' der Druckventileinheit 38' bildet die Öffnung 100', die vorzugsweise
eine Verbindung zwischen einem abstromseitigen Kanal 112', der am Mittelpunkt
des Kanals oder der Öffnung 44' abzweigt, und
einem aufstromseitigen Kanal 114', der in den Mittelpunkt des Kanals
oder der Öffnung 46' mündet, herstellt.
Alternativ dazu kann sich die Öffnung 100' auch durch
die innere Schulter 70' erstrecken,
die den Ventilsitz 58' des
Drucksteuerventils 39' trägt.
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Während die
hier beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsformen
betreffen, sind auch viele andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise
kann das Druckentlastungsventil durch ein Servo- oder pneumatisch
gesteuertes Ventil ersetzt werden, das über die Steuereinheit und vom
Geber an der Schiene sowie einem zusätzlichen Geber, der am Auslass der
Kraftstoffpumpe angeordnet ist, empfangene Drucksignale arbeitet.
An dieser Stelle sollen nicht sämtliche
möglichen äquivalenten
Ausführungsformen
oder Verwirklichungen der Erfindung erwähnt werden. Es versteht sich,
dass die hier verwendeten Begriffe rein beispielhaft sind und die
Erfindung in keiner Weise beschränken.
Diverse Änderungen können durchgeführt werden,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.