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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen und insbesondere ein Verfahren
zur Steuerung einer anforderungsbasierten Kraftstoffpumpe für derartige
Maschinen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es
ist in der Technik bekannt, den Wirkungsgrad eines Kraftstofflieferungssystems
zu erhöhen, indem
eine anforderungsbasierte Kraftstoffpumpe verwendet wird, die gerade
genügend
Kraftstoff pumpt, um den Kraftstoff zu ersetzen, der von der Maschine
bei jedem Zyklus verwendet wird. Jeglicher zusätzliche Kraftstoff, den die
Pumpe liefert, wird von einem aktiven digitalen Steuerungsventil
an die Einlassseite der Pumpe zurückgeleitet oder umgeleitet. Der
Druck ist dort niedriger und verwendet weniger hydraulische Energie
als ein Pumpen in die Hochdruckseite. Der Kraftstoffdruck in dem
Kraftstoffverteiler eines Maschineneinspritzventils kann gesteuert werden,
indem die Kraftstoffmenge, die in den Kraftstoffverteiler gepumpt
wird, inkrementell verändert wird
und indem jeglicher Überschuss
an den Pumpeneinlass zurückgeleitet
wird. Der gewünschte Druck
wird dann durch eine Rückkopplung
von einem Kraftstoffverteilerdrucksensor in einer geschlossenen
Schleife aufrecht erhalten, welcher anzeigt, wann ein stationärer Zustand
zwischen der Kraftstoffmenge, die in den Verteiler gepumpt wird
und der Kraftstoffmenge, die aus dem Verteiler eingespritzt wird,
erreicht wurde.
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Eine übliche Form
einer anforderungsbasierten Pumpe umfasst einen einzelnen Stößel, der
von einem Nockenbuckel auf einer Nockenwelle des Ventiltriebs der
Maschine direkt hin und her bewegt wird. Bei dieser Ausführungsform
gibt es eine Anzahl von Parametern, welche die maximale Kraftstoffmenge bestimmen,
die bei hohen Maschinenlasten in den Verteiler gepumpt werden kann:
- 1) geometrische Pumpenverdrängung;
- 2) Anzahl von Nockenbuckelereignissen pro Maschinenzyklus;
- 3) maximaler Hub des Nockenbuckels;
- 4) volumetrischer Wirkungsgrad der Pumpe.
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Diese
maximalen Pumpenkapazitätsparameter
werden auf der Grundlage des maximalen Kraftstoffversorgungsbedarfs
der Maschine ermittelt, welcher im Wesentlichen eine Funktion der
folgenden Maschinenparameter ist:
- 1) maximale
Luftmassenströmungsrate;
- 2) Kalibrierungserfordernisse bei einer Kraftstoffanreicherung.
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Im
Fall leichter Maschinenlasten, insbesondere bei Leerlauf, gibt es
eine Anzahl von Parametern, welche die Stabilität der minimalen, von Null verschiedenen
Kraftstoffmenge, die in den Kraftstoffverteiler gepumpt werden kann,
und folglich die Stabilität
der Kraftstoffdrucksteuerung begrenzen. Diese Parameter umfassen:
- 1) minimale Luftströmungsrate;
- 2) Kalibrierungsanforderungen bei einer Kraftstoffverschlankung;
- 3) Anzahl von Nockenbuckelereignissen;
- 4) Synchronisation des Zeitpunkts des aktiven digitalen Steuerungsventils
mit der Nockenwelle;
- 5) Variation des Nockenwellenzeitpunkts;
- 6) Hubprofil des Nockenbuckels;
- 7) Variation der internen Verluste der Pumpe.
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Es
war allgemein eine Herausforderung, bei anforderungsbasierten Pumpensytemen
einen stabilen Druck bei leichten Lasten bereitzustellen. Dieses Problem
vergrößert sich
bei Maschinen mit einem hochdynamischen Kraftstoffzufuhrbereich,
beispielsweise turbogeladenen Maschinen und Maschinen mit magerer
Verbrennung. Ein Verfahren zur Verbesserung der Stabilität des Kraftstoffdrucks
bei leichten Lasten für
anforderungsbasierte Pumpensysteme ist gewünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das den Dynamikbereich
und die Stabilität der
Drucksteuerung für
anforderungsbasierte Kraftstofflieferungssysteme verbessert und
eine verbesserte Betriebsstabilität bei niedrigen Lasten, insbesondere
bei Leerlauf bereitstellt.
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Das
Verfahren umfasst allgemein die Schritte:
Steuern einer anforderungsbasierten
Kraftstoffpumpe zur Lieferung von unter Druck stehendem Kraftstoff
an ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Mehrzylindermaschine, wobei
die Pumpe ein nockenbetätigtes Pumpelement
aufweist, das durch ein Einlasssteuerungsventil mit Kraftstoff versorgt
wird. Bei einer gewählten
Ausführungsform,
die eine Pumpe mit einem nockengetriebenen, sich hin und her bewegenden Kolben
verwendet, umfasst das Verfahren:
Bereitstellen eines Nocken
mit mehreren Pumpnockenbuckeln, die dazu dienen, um Hübe des Pumpelements
zum Pumpen von Kraftstoff an das System zu erzeugen; und
Verringern
einer Kraftstofflieferung durch ein Deaktivieren der Pumptätigkeit
ausgewählter
Nockenbuckel, wenn sie nicht benötigt
werden, um einen minimalen Kraftstoffdruck in dem System aufrecht
zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die
deaktivierten Nockenbuckel gewählt
sein, um eine gleichmäßige Pumpkadenz
der aktiven Pumpnockenbuckel aufrecht zu erhalten.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform
für eine
4-, 6- oder 8-Zylindermaschine kann die Anzahl der Nockenbuckel
4 betragen. Die Kraftstoffzufuhr wird verringert, indem die Pumptätigkeit
von zwei der vier Nockenbuckel deaktiviert wird, wenn nur zwei aktive
Nockenbuckel benötigt
werden, und von drei der vier Nockenbuckel deaktiviert wird, wenn
nur ein aktiver Nockenbuckel benötigt
wird. Ein Deaktivieren der gewählten
Nockenbuckel kann erreicht werden, indem das Einlasssteuerungsventil
während
einer Betätigung
der Pumpelemente durch die Nockenbuckel, die zur Deaktivierung gewählt sind,
offen gehalten wird, um den gepumpten Kraftstoff der gewählten Nockenbuckel
an die Einlassseite der Pumpe zurückzuführen.
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Das
Steuerungsventil kann elektrisch betätigt werden, beispielsweise
durch ein elektrisches Solenoid. Eine Steuerung kann bereitgestellt
sein, um das Steuerungsventil in Ansprechen auf gewählte vorbestimmte
und variable Betriebbedingungen der Maschine zu betätigen, um
die Anzahl der Nockenbuckel zu wählen,
die während
eines Maschinenbetriebs aktiv bleiben und um den weitesten Bereich
einer Stabilität
des Kraftstoffdrucks zu erhalten.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der
nachfolgenden Beschreibung gewisser spezieller Ausführungsformen der
Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden
werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Diagrammansicht mechanischer Betriebselemente eines beispielhaften
anforderungsbasierten Kraftstoffpumpensystems gemäß der Erfindung;
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2 ist
ein beispielhaftes Betriebsdiagramm einer Steuerung, die programmiert
ist, um eine Anzahl von Nockenbuckeln für einen Betrieb unter vorbestimmten
Bedingungen zu wählen;
und
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3 ist
ein Diagramm, das die Weise anzeigt, auf welche das Kraftstoffsteuerungssystem
arbeitet, um einen Kraftstoffverteilerdruck zu steuern, der von
der anforderungsbasierten Kraftstoffpumpe bereitgestellt wird.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Zuerst
auf 1 der Zeichnungen genau Bezug nehmend zeigt ein
Bezugszeichen 10 allgemein eine Brennkraftmaschine mit
einer kurbelwellengetriebenen Nockenwelle 12, welche einen
Kraftstoffpumpennocken 14 umfasst, die vier gleichmäßig um den
Umfang des Nockens herum beabstandete Betätigungsnockenbuckel 16 aufweist.
Die Maschine umfasst ferner eine Hubkolbenkraftstoffpumpe 18 mit
einem Körper 20,
der einen Zylinder definiert, in welchem ein Stößel 22 hin- und herbewegend betätigt wird.
Eine an dem Ende des Stößels montierte
Kurvenrolle 24 steht in Eingriff mit den Nockenbuckeln 16,
um den Stößel bei
einer Drehung der Nockenwelle durch die Maschine hin- und herzubewegen.
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Der
Pumpenkörper 20 umfasst
einen Einlassanschluss 26 und einen Auslassanschluss 28,
die durch den Pumpenzylinder intern verbunden sind, was nicht gezeigt
ist. Der Auslassanschluss 28 ist mit einem Rückschlagventil 30 verbunden,
welches mit einer Auslassleitung 32 in Verbindung steht,
die zu einem nicht gezeigten zugeordneten Kraftstoffeinspritzverteiler
der Maschine führt.
Der Einlassanschluss 26 ist oberstromig mit einem Steuerungsventil 34 verbunden,
welches von einem elektrischen Solenoid 36 betätigt wird
und den Durchgang des Kraftstoffrückflusses aus dem Pumpenkörper 20 an
die Einlassleitung 38 steuert. Die Einlassleitung wird
von einer Niederdruckpumpe, die mit einem nicht gezeigten Kraftstofftank
des Fahrzeugs verbunden ist, mit Kraftstoff versorgt.
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Die
Arbeitsweise der Kraftstoffpumpe kann von einer oder mehreren geeigneten
Steuerungen gesteuert werden. Beispielsweise stellt eine, in 2 im
Diagramm gezeigte Steuerung 40 die Auswahl einer Anzahl
aktiver Nockenbuckel zum Betreiben der Kraftstoffpumpe bei verschiedenen
Maschinenbetriebsbedingungen dar.
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Die
Steuerung 40 kombiniert Maschinensensorlesewerte eines
Krümmerabsolutdrucks
(MAP) 42 und einer Maschinendrehzahl (RPM) 44,
um eine Maschinenlast 46 zu berechnen. Ein benötigter minimaler
Kraftstoffdruck 48 in dem Kraftstoffverteiler, der für die aktuellen
Betriebsbedingungen ermittelt wurde, ein gemessener aktueller Kraftstoffdruck 50 und die
Kraftstoffmasse 52, die pro Einspritzung geliefert wird,
werden dann in einer Berechnung 53, die zu einer Auswahl 54 führt, mit
der Maschinenlast kombiniert, um die minimale Anzahl der Nockenbuckel
zu ermitteln, die bei den aktuellen Maschinenbetriebsbedingungen
aktiv bleiben müssen.
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Als
Nächstes
auf 3 Bezug nehmend ist die Steuerungsweise einer
Kraftstofflieferung durch die Kraftstoffpumpe durch einen Graphen 56 angezeigt.
Eine Sägezahnlinie 58 zeigt
allgemein die Hin- und Herbewegungsbetätigung des Stößels, welcher für jeden
Maschinenzyklus vier Hübe
durchläuft,
relativ zu dem Kurbelwellenwinkel an. Eine Linie 60 markiert
nicht schattierte Abschnitte 61 der Stößelhübe S, bei welchen das Kraftstoffeinlasssteuerungsventil 34 geöffnet ist,
um eine Einlass- oder Rückströmung zu
ermöglichen.
An die Linie 60 angrenzend zeigen schattierte Flächen 62 Perioden
an, während
derer das Ventil 34 geschlossen ist, um eine Rückströmung zu
verhindern, und sie zeigen die effektive Länge L oder die Verdrängung der
Pumphübe,
bei welchen Kraftstoff durch das Rückschlagventil 30 und
die Auslassleitung 32 an den Kraftstoffverteiler geliefert
wird. Gestrichelte Linien unter den schattierten Flächen zeigen
die nicht pumpenden Abschnitte der Stößelhübe S. Die Länge L des effektiven Hubs ist
variabel von dem vollen Hub S des Stößels bis zur einem beliebigen
gewünschten
Abschnitt des Hubes S, um den mittleren Kraftstoffdruck zu steuern,
der in dem Kraftstoffverteiler bei verschiedenen Betriebsbedingungen
der Maschine aufrecht erhalten wird.
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Die
Arbeitsweise des Systems ist wie folgt. Während eines Startens der Maschine
dreht ein Ankurbeln der Maschine die Nockenwelle 12, was
die Nockenbuckel 16 veranlasst, den Pumpenstößel 22 in
dem Körper 20 hin
und her zu bewegen. Das Steuerungsventil 36 ist während der
Pumpeneinlasshübe 64 geöffnet und
während
gewählter
aktiver Pumphübe 66,
welche eine Länge
L aufweisen, geschlossen. Bei den Einlasshüben saugt der Stößel Kraftstoff
aus der Einlassleitung 38 in den Körper, während das Ventil 36 geöffnet ist.
Bei den aktiven Pumphüben presst
der Stößel 22 Kraftstoff
aus dem Körper
hinaus und durch das Rückschlagventil 30 an
die Auslassleitung, während
das Steuerungsventil 36 geschlossen ist. Das Ventil bleibt
bei den Pumphüben geschlossen,
bis die Pumpe genügend
Kraftstoffströmung
durch die Auslassleitung 32 an den nicht gezeigten zugeordneten
Kraftstoffeinspritzverteiler bereitstellt, um den Kraftstoffverteilerdruck
auf einen begründeten
Minimaldruck zur Kraftstoffeinspritzung anzuheben.
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Nach
dem Starten der Maschine wird der Kraftstoffauslassdruck aus der
Pumpe gesteuert, indem die von der Pumpe durch das Rückschlagventil 30 gelieferte
Kraftstoffmenge nach Bedarf verringert wird, um eine Durchschnittsströmung bereitzustellen, die
der Kraftstoffmasse entspricht, die in die nicht gezeigten Maschinenzylinder
während
eines Betriebs der Maschine bei den gegenwärtigen Betriebsbedingungen
eingespritzt wird. Die Steuerung ist zweifach. Erstens ermittelt
die Steuerung 40 auf die zuvor angezeigte Weise die Anzahl
der Nockenbuckel, welche unter den aktuellen Bedingungen verwendet werden
müssen,
um die notwendige Kraftstoffströmung
und den notwendigen Kraftstoffdruck in dem Kraftstoffeinspritzverteiler
aufrecht zu erhalten, und betreibt das System mit der erforderlichen
Anzahl. Zweitens wird die Kraftstoffmenge, die von der Pumpe während jedes
Pumphubs geliefert wird, nach Bedarf verringert, indem ein Öffnen des
Steuerungsventils 34 digital betätigt wird, um überschüssige Kraftstoffmengen
aus den Pumphüben
zurück
an die Einlassleitung zu leiten. Dies lässt nur die gewünschte Kraftstoffmenge übrig, die
tatsächlich
aus dem Pumpenkörper 20 in
die Auslassleitung 32 gepumpt wird. Auf diese Weise wird
die mittlere Kraftstoffströmung in
den Kraftstoffverteiler gesteuert, um den geeigneten Kraftstoffdruck
in dem Verteiler sowohl bei stationären als auch variablen Maschinenbetriebsbedingungen
aufrecht zu erhalten.
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Bei
einem speziellen Beispiel arbeitet die Steuerung 40 während eines
Leerlaufbetriebs, indem sie ermittelt, dass nur ein einziger Nockenbuckel 16 benötigt wird,
um Kraftstoff zur Aufrechterhaltung des minimalen Kraftstoffdrucks
in den Kraftstoffeinspritzverteiler zu pumpen. Entsprechend wird
das Steuerungsventil 36 bei allen Einlasshüben des
Pumpenstößels und
bei drei der vier Pumphübe
offen gehalten, während
welcher der gepumpte Kraftstoff an die Einlassleitung 38 zurückgeleitet
wird und nicht an die unter Druck stehende Auslassleitung 32 geliefert wird.
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Während des
vierten Hubs wird Kraftstoff, der in den Körper 20 eingesaugt
wurde, teilweise an die Einlassleitung 38 zurückgeleitet,
indem das Steuerungsventil 36 digital geöffnet wird,
um die gewünschte
Kraftstoffmenge zurück
an die Einlassleitung 32 zu leiten. Dieses Steuerungskonzept
wird durch die Linie 60 in 3 gezeigt,
welche einen Betrieb mit zwei aktiven Pumpennockenbuckeln zeigt. Während des
Beginns der Bewegung des Stößels von
0 bis zu der Linie 60, während welcher Kraftstoff an
die Einlassleitung zurückgespült wird,
bleibt das Steuerungsventil geöffnet.
Während
des Rests des vierten Hubs ist das Steuerungsventil 36 bis
zu dem Ende des Pumphubs für
eine ausreichende Zeitdauer geschlossen, um eine benötigte Kraftstoffmenge unter
Druck durch das Rückschlagventil 30 an
die Auslassleitung 32 zu liefern, um den notwendigen Druck
in dem Kraftstoffeinspritzverteiler aufrecht zu erhalten.
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Wenn
die Maschinendrehzahl und -last erhöht werden, arbeitet die Steuerung 40,
um nach Bedarf die Anzahl aktiver Pumphübe, welche von der Pumpe erzeugt
werden, wie erforderlich von eins auf zwei zu erhöhen, was
die Betriebsart liefert, die in 3 der Zeichnungen
gezeigt ist. Wenn noch höhere
Bereiche an Maschinenleistung und -drehzahl gefordert sind, wird
die Anzahl aktiver Pumphübe
auf 3 oder auf ein Maximum von 4 pro Maschinenzyklus erhöht. Während aller
Bedingungen wird die spezielle Aus gabe eines jeden Pumphubs, der
aktiv ist, durch eine digitale Steuerung des Steuerungsventils 36 gesteuert,
um den an den Kraftstoffverteiler gelieferten Kraftstoff im Wesentlichen
gleich dem zu halten, welcher aus dem Kraftstoffverteiler durch
eine Einspritzung in die Maschinenzylinder während stationärer Druckzustände entzogen
wird.
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Wenn
eine Pumpe so betrieben wird, dass alle Pumphübe bei einem Niederlastbetrieb,
insbesondere bei Leerlauf, aktiv sind, kann die digitale Steuerung
der Stößelausgabe
bei niedriger Last und niedriger Drehzahl, insbesondere bei Leerlauf,
wegen der kleinen benötigten
Kraftstoffmengen und Variationen bei der Kurbeldrehzahl und dem
Ventilbetrieb, welche die tatsächliche
Kraftstoffliefermenge beeinflussen, instabil werden. Diese Variationen
werden durch die vorliegende Erfindung wesentlich verringert, bei
der die primäre
Steuerung von gepumptem Kraftstoff durch ein Ändern der Anzahl aktiver Nockenbuckel
gehandhabt wird, welches die nominale Kraftstoffausgabe im Verhältnis zu
der Anzahl der aktiven Nockenbuckel direkt variiert. Wenn daher die
aktiven Nockenbuckel verringert werden, werden die Auswirkungen
digitaler Steuerungsvariationen eines jeden Pumphubs proportional
verringert. Das Ergebnis des Systembetriebs sorgt daher für eine stabile
Steuerung von Kraftstoffdrücken über den
gesamten Maschinenbereich vom Leerlauf bis zur maximalen Ausgabe.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
die Kraftstoffsteuerung vereinfacht und verbessert werden, indem
eine gleichmäßige Pumpkadenz von
aktiven Pumphüben
in den Kraftstoffverteiler bei allen Bedingungen aufrecht erhalten
wird. Insbesondere wird bei Leerlauf und bei niedrigen Lasten bei
jedem Maschinenzyklus, welcher bei einer Viertaktmaschine zwei Umdrehungen
der Kurbelwelle umfasst, ein einziger aktiver Pumphub verwendet.
Wenn die Last auf die Maschine erhöht wird, werden die Pumphübe auf zwei
pro Maschinenzyklus erhöht,
und wenn Maximallast bereiche erreicht sind, werden die Hübe auf vier
pro Pumpzyklus erhöht.
Auf diese Weise treten in jedem Fall die Pumphübe bei gleichmäßig beabstandeten
Drehungen der Maschinenkurbelwelle auf, sodass sich wiederholende
Variationen des Kraftstoffdrucks in dem Kraftstoffverteiler erreicht werden
und eine Zylindereinspritzsteuerung genauer und besser vorhersagbar
erreicht wird.
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Obwohl
eine beliebige geeignete Anordnung von Nocken verwendet werden kann,
werden vier Nockenbuckel auf eines einzelnen Nockens im Hinblick
auf Begrenzungen eines Basiskreisdurchmessers einer Maschinennockenwelle,
einen minimalen Radius einer Kurvenlinie für einen Schleifprozess in der
Produktion, eine Rate der Pumpenbetätigung bei maximalen Maschinendrehzahlen,
einen Pumpenwirkungsgrad, eine Nockenbelastung und eine maximale
Strömungsratenfähigkeit
bei großen
Sechs- und Achtzylindermaschinen gegenwärtig als eine praktikable Grenze
angesehen. Die Konzepte der Erfindung sind jedoch gleichermaßen auf
Nocken mit einer größeren Anzahl
von Nockenbuckeln oder auf mehrere Nockenpumpen anwendbar, sofern
gewünscht.
Nockenbuckelanzahlen von weniger als vier verringern die Gelegenheit
zur Deaktivierung von Nockenbuckelpumpereignissen bei einer Beibehaltung
einer gleichmäßigen Kadenz
signifikant. Im Fall von vier Nockenbuckeln kann eine Variation
der Kraftstoffströmungssteuerung
in Abhängigkeit
davon, wie viele Nockenbetätigungsereignisse
deaktiviert sind, um einen Faktor von zwei oder vier verringert
werden.
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Obwohl
die Erfindung unter Verwendung einer nockenbetätigten Kolbenpumpe dargestellt
ist, kann die Erfindung ebenso gut auf andere Typen von kurbelgetriebenen
Pumpen angewandt werden, beispielsweise Membranpumpen, hebelbetriebene Pumpen
und andere Pumpen, die synchron mit einer Kurbelwelle betrieben
werden.
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Im
Fall einer Vierzylindermaschine wird eine Konfiguration mit vier
Nockenbuckeln während
eines Hochlastbetriebs ein Pumpenereignis bei jedem Einspritzereignis
bereitstellen. Dieses Profil wird das am besten wiederholbare Druckprofil
für jede
Einspritzung bereitstellen, welches den Bedarf für eine Vorspannung der Einspritzventilimpulsweite
je Zylinder relativieren kann. In dem Fall einer Achtzylindermaschine
wird eine Konfiguration mit vier Nockenbuckeln ein Pumpenereignis
für jede
zweite Einspritzung bereitstellen. Daher wird es bei abwechselnden Zylindern
in der Zündreihenfolge
ein unterschiedliches Kraftstoffdruckprofil geben. Dieses kann immer noch
eine akzeptable Kraftstoffeinspritzsteuerung bereitstellen, wenn
der Kraftstoffverteiler richtig dimensioniert ist, oder dies kann
ein gewisses Vorspannen der Einspritzimpulsweite für jeden
zweiten Zylinder erforderlich machen. Im Fall einer Sechszylindermaschine
wird eine Konfiguration mit vier Nockenbuckeln ein Pumpenereignis
für alle
1,5 Einspritzereignisse bereitstellen. Dies kann eine akzeptable Kraftstoffeinspritzsteuerung
bereitstellen, wenn der Verteiler richtig dimensioniert ist, kann
aber mit einer Einspritzimpulsweitenvorspannung verbessert werden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf gewisse bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen
in dem Geist und Schutzumfang der beschriebenen erfinderischen Konzepte
durchgeführt
werden können.
Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die
offenbarten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern dass sie den vollen Schutzumfang aufweist, der durch
die Sprache der nachfolgenden Ansprüche möglich ist.