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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kraftstoffversorgungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftstoffpumpeneinrichtung.
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Moderne Kraftfahrzeuge verfügen über Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei denen der Kraftstoff unter hohem Druck direkt in den oder bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen in die Brennräume eingespritzt wird. Die Kraftstoffdirekteinspritzung erfordert eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, welche in jeder Betriebssituation druckbeaufschlagten Kraftstoff bereitstellt. Wesentliche Elemente dieser Kraftstoffversorgungsvorrichtung stellen die Hochdruckpumpe, welche den Kraftstoff auf das nötige Druckniveau befördert und ein Druckspeicher (Rail) dar, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert wird und von welchem die Einspritzventile mit Kraftstoff versorgt werden.
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In der
DE 10 2007 004 605 B4 ist eine Hochdruckpumpe sowie eine Einspritzanlage mit einer solchen Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung beschrieben.
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Im Bestreben der Automobilhersteller den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen der Kraftfahrzeuge zu verringern, wurden neue Techniken entwickelt, wie beispielsweise die Stopp-Start-Automatik, mittels derer die Brennkraftmaschine unabhängig von dem Eingriff eines Kraftfahrzeugführers abgeschaltet und ohne den Zündschlüssel zu betätigen, auch wieder gestartet werden kann, beispielsweise durch Antippen des Gaspedals. Die Abschaltung der Brennkraftmaschine geschieht dabei insbesondere in längeren Leerlaufphasen, in denen die Antriebskraft der Brennkraftmaschine nicht benötigt wird. Auf diese Weise können, besonders im städtischen Verkehr, beachtliche Kraftstoffverbrauchseinsparungen erzielt werden.
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Beim Einsatz solcher Stopp-Start-Funktionen kann es jedoch im Bereich der Kraftstoffversorgung zu Schwierigkeiten beim schnellen Wiederstart der Brennkraftmaschine kommen. Hierbei ist wichtig, dass die Zeit zwischen Aktivierung, also Anforderung des Startwunsches und dem tatsächlichen Start der Brennkraftmaschine so kurz wie möglich ist.
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Um dieser Anforderung gerecht zu werden, muss neben der Optimierung der Synchronisierung des Steuergerätes der Brennkraftmaschine (möglichst frühe Einspritzfreigabe, z. B. ausgedrückt in Grad Kurbelwinkel, bezogen auf den oberen Totpunkt) auch die Hydraulik des Einspritzsystems entscheidend optimiert werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Betreiben einer Kraftstoffversorgungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, mittels der eine hohe Betriebssicherheit und insbesondere ein schneller Wiederstart bei Stopp-Start-Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung zum Fördern von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine mit einer mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftstoffpumpeneinrichtung, welche Kraftstoff von einem Kraftstoffvorratsbehälter zu einem Druckspeicher fördert. Dabei ist in einem Antriebsstrang zwischen der Brennkraftmaschine und der Kraftstoffpumpeneinrichtung eine Freilaufkupplung vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie abhängig von der Drehrichtung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine den Antrieb der Kraftstoffpumpeneinrichtung entweder freigibt oder unterbindet.
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Durch eine solche Ausgestaltung des Antriebs der Kraftstoffpumpeneinrichtung über eine Freilaufkupplung kann auf einfache und zuverlässige Weise sichergestellt werden, dass bei einer Umkehr der Drehrichtung der Kurbelwelle, wie sie beispielsweise beim Auspendeln der Kurbelwelle oder durch falsche Zündwinkelausgabe beim Start auftreten kann (sogenanntes Rückwärtsdrehen), der Antrieb der Kraftstoffpumpeneinrichtung entkoppelt ist. Damit kann das Entleeren des Verdrängerraumes einer in der Kraftstoffpumpeneinrichtung enthaltenden Kraftstoffhochdruckpumpe sicher unterbunden werden. Dadurch kann beim nächsten Startvorgang der Druckaufbau und damit der Startvorgang schneller erfolgen.
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In Ausgestaltungen der Vorrichtung ist die Freilaufkupplung als Sperrklinken-Freilauf oder als Freilauf mit Klemmkörpern oder als Schlingfeder-Kupplung ausgebildet. All diesen konstruktiven Ausgestaltungen ist gemeinsam, dass sie zuverlässig und robust arbeiten, als herkömmliche Komponenten leicht verfügbar und damit kostengünstig eingesetzt werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Kraftstoffpumpeneinrichtung eine Niederdruckkraftstoffpumpe, welche in Förderrichtung des Kraftstoffes gesehen der Hochdruckkraftstoffpumpe vorgeschaltet ist. Dadurch ergibt sich eine bezüglich des benötigten Bauraumes sehr kompakte Einheit mit kurzen hydraulischen Verbindungen zwischen den beiden Pumpen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Hochdruckkraftstoffpumpe und die Niederdruckkraftstoffpumpe eine gemeinsame Antriebswelle auf. Diese konstruktive Ausgestaltung trägt ebenso zu einer Kraftstoffpumpeneinrichtung mit geringen Ausmaßen bei
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist zwischen dem Ausgang der Niederdruckkraftstoffpumpe und dem Eingang der Hochdruckpumpe ein Volumenstromregelventil angeordnet. Dadurch kann auf einfache Weise der Kraftstoffvolumenstrom in den Verdrängerraum der Kraftstoffhochdruckpumpe eingestellt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Freilaufkupplung im Antriebsstrang zwischen der Kurbelwelle und der Kraftstoffpumpeneinrichtung angeordnet. Das hat den Vorteil, dass die Drehzahl der Antriebswelle der Kraftstoffpumpeneinrichtung gleich der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
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In weiteren Ausgestaltungen der Vorrichtung ist die Freilaufkupplung im Antriebsstrang zwischen einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine und der Kraftstoffpumpeneinrichtung angeordnet und bevorzugter Weise ist im Antriebsstrang ein Übersetzungsgetriebe angeordnet, welches die Drehzahl der Nockenwelle an die Drehzahl der Antriebswelle der Kraftstoffpumpeneinrichtung anpasst. Durch Antrieb mittels der Nockenwelle und Einsatz eines Getriebes erhält man mehr Freiheitsgrade bezüglich der Anordnung der Kraftstoffpumpeneinrichtung innerhalb des Motorraumes, ohne dabei auf die Vorteile gegenüber der Nockenwellendrehzahl höheren Drehzahl der Kurbelwelle zu verzichten.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffversorgungseinrichtung und einer Steuervorrichtung,
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2 eine detailliertere Darstellung eines Teils der in 1 gezeigten Kraftstoffversorgungseinrichtung und
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3 ein zeitliches Diagramm von Signalverläufen beim Betreiben der Brennkraftmaschine
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In 1 ist in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 10 mit einer ihr zugeordneten Kraftstoffversorgungseinrichtung 11 und einer zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 10 dienenden Steuervorrichtung (ECU) 12 dargestellt. Dabei sind nur diejenigen Teile und Komponenten gezeigt, die für das Verständnis der Erfindung nötig sind. Insbesondere ist auf die Darstellung des Ansaugtraktes, des Abgastraktes, des Kühlmittelkreislaufes, sowie die bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Ottomotoren nötige Zündeinrichtung aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit verzichtet worden.
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Auch die Kraftstoffversorgungseinrichtung 11 ist nur schematisch dargestellt, insbesondere sind Rücklaufleitungen, Leckageleitungen, Drosselstellen etc. weggelassen. Eine Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 fördert Kraftstoff von einem Kraftstoffvorratsbehälter 14 über ein Kraftstofffilter 15, eine Niederdruckleitung 19 und eine Hochdruckleitung 20 zu einem Druckspeicher (common rail) 16. Dabei handelt es sich um einen Druckspeicher, von dem aus Kraftstoffinjektoren (Einspritzventile) 17 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt werden. An dem Druckspeicher 16 ist ein Drucksensor 18 zum Erfassen des Kraftstoffdrucks im Druckspeicher 16 angeordnet. Die Höhe des Kraftstoffdruckes im Druckspeicher 16 ist abhängig von der Art des verwendeten Kraftstoffes und kann bei einer mit Benzin als Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine bis zu 200 bar und bei einer mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine bis zu 2000 bar betragen.
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Bei der hier dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern und Kraftstoffdirekteinspritzung, bei welcher der für die Verbrennung nötige Kraftstoff mittels einzelner, den jeweiligen Zylindern zugeordneten Kraftstoffinjektoren 17 unmittelbar in die Brennräume der Zylinder eingespritzt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aber unabhängig von der Anzahl der Zylinder bei jeder Brennkraftmaschine, die mit Kraftstoffdirekteinspritzung arbeitet, anwendbar.
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Die Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 wird mechanisch von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben. Hierzu ist sie über einen Antriebsstrang 21 mit der Brennkraftmaschine 10 verbunden. Als Antriebsstrang 21 ist im Sinne der Erfindung die direkte oder indirekte Verbindung zwischen einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 und der Antriebswelle der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 oder die direkte oder indirekte Verbindung zwischen einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine 10 und der Antriebswelle der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 zu verstehen. In diesem Antriebsstrang 21 ist eine Freilaufkupplung 22 angeordnet, welche abhängig von der Drehrichtung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 den Antrieb der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 entweder freigibt oder unterbindet. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Antriebswelle der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 wird entweder in Drehung versetzt oder nicht. Die Freilaufkupplung 22 ist dabei derart ausgestaltet, dass sie den Antrieb der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 freigibt, wenn die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 eine Vorwärtsdrehung ausführt und den Antrieb der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 sperrt, wenn die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 eine Rückwärtsdrehung ausführt.
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Eine Brennkraftmaschine arbeitet während eines Arbeitsspiels allgemein in vier Modi oder 4 Takten; einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Verbrennungstakt und einem Ausstoßtakt. Werden diese 4 Takte in dieser Reihenfolge durchlaufen, so spricht man von einer Vorwärtsdrehung der Kurbelwelle oder vereinfacht von einer Vorwärtsbewegung des Motors. Während einer Rückwärtsdrehung der Kurbelwelle läuft der Zyklus in einer umgekehrten Reihenfolge ab, wodurch auf den Verdichtungsmodus der Ansaugmodus folgt.
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Eine Rückwärtsdrehung der Kurbelwelle, auch oft als Rückdrehen des Motors bezeichnet, kann beispielsweise durch ”Abwürgen” der Brennkraftmaschine, durch Rückwärtsrollen des Fahrzeuges im eingelegten Vorwärtsgang, durch falsche Zündwinkelausgabe beim Start, beim Auspendeln der Kurbelwelle, wenn der Starter zu früh abschaltet oder durch Massekräfte bei einem Schleudern des Fahrzeugs auftreten.
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In der 1 ist mit durchgezogener Linie die Vorwärtsdrehung und mit gestrichelter Linie die Rückwärtsdrehung der Kurbelwelle eingezeichnet.
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Als Freilaufkupplung 22 können alle bekannten Ausführungsformen wie beispielsweise Freiläufe mit Klemmrollen, mit Klemmkörpern, mit Sperrklinken oder mit Schlingfedern eingesetzt werden.
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Wird die Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 von der Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, welche bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit halber Drehzahl der Kurbelwelle umläuft, so ist im Antriebsstrang 21 ein Übersetzungsgetriebe 23, vorzugsweise mit dem Übersetzungsverhältnis 1:2 vorgesehen, so dass die Drehzahl der Antriebswelle der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 der Drehzahl der Kurbelwelle angepasst ist. Dieses Übersetzungsgetriebe 23 kann wie in der 1 mit gestrichelter Linie dargestellt, am Ausgang der Freilaufkupplung 22 oder alternativ hierzu am Eingang der Freilaufkupplung 22 angeordnet sein.
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In 2 ist die Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 näher dargestellt, wobei auch hier nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Komponenten gezeigt sind, insbesondere ist auf die Darstellung eines Duckbegrenzungsventils verzichtet worden. Eine mechanisch angetriebene Niederdruckkraftstoffpumpe 24 dient als Vorförderpumpe und saugt über die Niederdruckleitung 19 Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 14 an und fördert ihn zu dem Einlass einer Kraftstoffhochdruckpumpe 27. Die Niederdruckkraftstoffpumpe 24, oft auch als Internal Transfer Pump, (ITP) bezeichnet, ist vorzugsweise als Flügelzellenpumpe ausgeführt. Es kann jedoch auch eine andere Pumpenart, z B. eine Zahnradpumpe oder eine Gerotorpumpe für die Vorförderung des Kraftstoffes verwendet werden. Eine Gerotorpumpe ist eine ventillose, kompakte und selbstansaugende Pumpe, die einen kontinuierlichen Fluidförderstrom mit geringen Druckschwankungen erzeugt.
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Die Niederdruckkraftstoffpumpe 24 wird mittels des Antriebsstranges 21 von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben. Alternativ ist es jedoch auch möglich, eine elektrisch betriebene Niederdruckkraftstoffpumpe einzusetzen, wodurch eine Steuerung der Niederdruckkraftstoffpumpe unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 möglich ist. Eine solche elektrisch betriebene Niederdruckkraftstoffpumpe ist dann bevorzugt im Verbund eines sogenannten Intank-Moduls innerhalb des Kraftstoffvorratsbehälters 14 angeordnet.
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Stromabwärts der Niederdruckkraftstoffpumpe 24 (Vorförderpumpe) ist ein Volumenstromregelventil (Volume Control valve, VCV) 25 angeordnet, mit dem der Kraftstofffluss von der Niederdruckkraftstoffpumpe 24 in die Hochdruckpumpe 27 einstellbar ist. Durch Auswerten des Signals des Drucksensors 18 mittels der Steuerungseinrichtung 12, sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen, kann das Volumenstromregelventil 25 so angesteuert werden, dass eine niederdruckseitige Regelung des der Hochdruckpumpe 27 zugeführten Kraftstoffstroms möglich ist.
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Zwischen dem Ausgang des Volumenstromregelventils 25 und der Einlassseite der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 ist ein Saugventil 26 in Form eines federbelasteten Kugelventils (Rückschlagventil) angeordnet.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe 27 ist bevorzugt als Radialkolbenpumpe oder als Reihenkolbenpumpe mit mehreren Zylindereinheiten ausgebildet, wie sie zum Einsatz in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt sind. Mit dem Bezugszeichen 28 ist eine Zylinderkammer oder ein Verdrängerraum der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 bezeichnet. Durch die Kolbenbewegung der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 wird der mittels der Niederdruckkraftstoffpumpe 24 in die Zylinderkammer 28 geförderte Kraftstoff auf die Eingangs genannten Druckwerte verdichtet.
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Am Auslass der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 ist ein Hochdruckventil 29 angeordnet, das bevorzugter Weise ebenfalls als Kugelventil ausgestaltet ist.
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In der Darstellung nach der 2 sind die beschriebenen Komponenten der Kraftstoffpumpeneinheit 13 als separate Einheiten gezeigt und beschrieben. Es ist aber auch möglich, alle oder zumindest einen Teil der genannten, sowie weitere Komponenten zu einer einzigen Baugruppe innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses zusammenzufassen, wodurch sich ein sehr kompakter und kostengünstiger Aufbau der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 ergibt.
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Die Steuervorrichtung 12 ist über Signal- und Datenleitungen mit verschiedenen Sensoren und Stellgliedern der Brennkraftmaschine 10 verbunden. Die Sensoren erfassen verschiedene Messgrößen und ermitteln jeweils den Messwert der Messgröße. Die Steuervorrichtung 12 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 12 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 bezeichnet werden.
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Die Sensoren sind beispielsweise der Drucksensor 18 am Druckspeicher 16, ein Pedalstellungsgeber, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals erfasst, ein Luftmassenmesser, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts einer Drosselklappe erfasst, ein Drosselklappenstellungssensor, der einen Öffnungsgrad der Drosselklappe erfasst, ein Temperatursensor, der eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Saugrohrdrucksensor, der einen Saugrohrdruck in dem Saugrohr erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor, der einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl der Brennkraftmaschine zugeordnet wird, ein Temperatursensor, der eine Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine 10 erfasst und eine oder mehrere Abgassonden, welche beispielsweise den Restsauerstoffgehalt im Abgas stromaufwärts und stromabwärts eines Abgaskatalysators erfassen.
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Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
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Die Stellglieder sind beispielsweise die Kraftstoffinjektoren 17, das Volumenstromregelventil 25, eine Drosselklappe, eine Zündkerze und eine Startervorrichtung 31, beispielsweise in Form eines elektrischen Anlassers zum Starten der Brennkraftmaschine 10.
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In der Steuervorrichtung 12 sind mehrere, kennfeldbasierte Motorsteuerungsfunktionen softwaremäßig implementiert. Insbesondere ist in der Steuervorrichtung 12 eine sogenannte Stopp-Start-Automatik-Einrichtung 30 implementiert, mit dessen Hilfe bei Vorhandensein bestimmter Bedingungen und/oder Anforderungen die Brennkraftmaschine 10 unabhängig von einem Fahrer des mit der Brennkraftmaschine 10 angetriebenen Kraftfahrzeuges automatisch abgeschaltet und ohne den Zündschlüssel zu betätigen, auch wieder gestartet werden kann, beispielsweise durch Antippen des Gaspedals. Die Stopp-Start-Automatik-Einrichtung 30 ist elektrisch mit der Starteinrichtung 31 verbunden.
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Bei Einsatz einer solchen Stopp-Start-Automatik-Einrichtung 30 und dem dafür erforderlichen Druckaufbau zum schnellen Wiederstart der Brennkraftmaschine 10 ist ein bestmöglich gefüllter Verdrängerraum (Zylinderkammer) 28 der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 notwendig. Nur bei gefülltem Verdrängerraum 28 kann die Kraftstoffhochdruckpumpe 27 Kraftstoff in den Druckspeicher 16 fördern und somit innerhalb einer möglichst kurzen Zeitspanne den notwendigen, Eingangs erwähnten Einspritzfreigabedruck erreichen. Zum Befüllen der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 und des Verdrängerraumes 28 ist es möglich, beim Stopp der Brennkraftmaschine 10 das Volumenstromregelventil 25 geöffnet zu halten, um bedingt durch die Förderleistung der Niederdruckkraftstoffpumpe (Vorförderpumpe) 24 einen Druckaufbau im Ringkanal der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 zu erreichen, welcher ausreichend groß ist um das Saugventil 26 am Zylinder der Kraftstoffhochdruckpumpe 27 zu öffnen.
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Nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 10 muss das Volumenstromventil 25 geschlossen werden, um ein Ausfließen des Kraftstoffes aus dem Ringkanal, bedingt durch Rückwärtsdrehen der Kurbelwelle und aufgrund der Verbindung der Kurbelwelle und der Antriebswelle der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 auch der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 auszuschließen. Jedoch kann es bei einem Rückwärtsdrehen der Kurbelwelle zu einem Leeren des Verdrängerraumes 28 kommen, welches den beim nächsten Start notwendigen Druckaufbau verschlechtert.
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Durch den Einsatz der beschriebenen Freilaufkupplung 13 erfolgt eine Entkopplung der Rückwärtsbewegung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 von dem Antrieb der Kraftstoffpumpeneinrichtung 13 und damit des Hochdruckpumpenzylinders, so dass nach Schließen des Volumenstromregelventils 25 nach Erreichen einer Drehzahl gleich Null keine Leerung des Pumpenzylinder mehr erfolgen kann.
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In 3 sind diese Zusammenhänge zwischen Drehzahl N der Kurbelwelle und Stellung des Volumenstromregelventils (VCV) 25 grafisch dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 läuft die Brennkraftmaschine 10 mit der Leerlaufdrehzahl NLL (Ca 800 l/min) und das Volumenstromregelventil (VCV) ist geöffnet Erst zum Zeitpunkt tA, wenn die Drehzahl N den Wert Null erreicht hat, wird auch das Volumenstromregelventil 25 geschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007004605 B4 [0003]
- DE 102008020184 A1 [0005]
- EP 1296060 B1 [0005]
