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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Kraftstoffsystem und insbesondere auf ein Common-Rail-Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine mit mechanischen Pumpeneinheiten.
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Hintergrund
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Mechanische Pumpeneinheiten werden durch eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zum Fördern von Kraftstoff aus einem Kraftstoffreservoir zu verschiedenen Zylindern der Brennkraftmaschine angetrieben. Beispielsweise ist jeder Zylinder der Brennkraftmaschine einer separaten mechanischen Pumpeneinheit zugeordnet. In dieser Anordnung ist jede mechanische Pumpeneinheit mit einer einzelnen mechanischen Düse verbunden, die in Fluidverbindung mit einem entsprechenden Zylinder der Brennkraftmaschine steht. Der zu jeder mechanischen Düse geförderte Kraftstoff wird direkt in den zugeordneten Zylinder der Brennkraftmaschine in Reaktion auf einen Pumphub der entsprechenden mechanischen Pumpeneinheit eingespritzt.
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Diese mechanisch gesteuerten Kraftstoffsysteme weisen Nachteile auf. Beispielsweise arbeitet das Kraftstoffsystem unzuverlässig, wenn eine Pumpe oder ein Injektor ausfällt, da jeder mechanische Injektor einzeln mit nur einer mechanischen Pumpeneinheit verbunden ist. Wenn beispielsweise eine Pumpe ausfällt, wird der entsprechende Injektor und Zylinder der Brennkraftmaschine keinen Kraftstoff zugeleitet bekommen. Wenn ein Injektor ausfällt, wird die zugeordnete Kraftstoffpumpe fortwährend Kraftstoff zuführen, der nicht in den Zylinder eingespritzt werden kann, wodurch der Kraftstoffdruck auf eine Stufe erhöht wird, die der Brennkraftmaschine und dem Kraftstoffsystem zusätzlichen Schaden zufügen könnte. Gleichermaßen kann das Kraftstoffsystem uneinheitlich über die Zylinder arbeiten, da die Ansteuerung und der Druck jedes Kraftstoffinjektors in die unterschiedlichen Zylinder durch eine andere mechanische Pumpeneinheit gesteuert werden. Aus diesen Gründen ist es ebenso schwierig, sich verändernden Kraftstoffanforderungen zu genügen, wenn sich die Leistungsbedingungen der Brennkraftmaschine verändern.
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Ein alternatives Kraftstoffsystem ist im
US-Patent US 7,950,371 von Cinpinski et al. vom 31. Mai 2011 („das
'371-Patent ”) offenbart. Insbesondere offenbart das
'371-Patent ein Kraftstoffsystem mit einer Hochdruckpumpe, die Kraftstoff zu einem Kraftstoff-Rail fördert. Das Kraftstoff-Rail ist zwischen der Hochdruckpumpe und mehreren Kraftstoffinjektoren verbunden. Zusätzlich weist das Kraftstoffsystem ein elektronisches Steuermodul (ECM) auf, das die Hochdruckpumpe und die Kraftstoffinjektoren elektronisch steuert. Ein Drucksensor ist als Teil eines Kompensationsmoduls zum Kalibrieren der Hochdruckpumpe enthalten.
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Während das Kraftstoffsystem des
'371-Patents einige Vorteile gegenüber mechanisch gesteuerte Kraftstoffsysteme vorweisen kann, kann es suboptimal sein. Insbesondere erfordert das Kraftstoffsystem des
'371-Patents eine separate Hochdruckpumpe zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Rail. Dies kann suboptimal für eine Nachrüstanwendung sein, in der bereits mechanische Pumpeneinheiten an der Brennkraftmaschine vorgesehen sind. Zusätzlich kann, da das Kraftstoffsystem des
'371-Patents ein Kompensationsmodul zum Kalibrieren der Hochdruckpumpe verwendet, dieses inkompatibel mit den mechanischen Pumpeneinheiten einer vorhandenen Brennkraftmaschine sein.
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Die vorliegende Offenbarung ist auf das Überwinden eines oder mehrerer der zuvor genannten Probleme und/oder anderer Probleme im Stand der Technik gerichtet.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und mehreren Zylindern gerichtet. Das Kraftstoffsystem kann mehrere Plunger, die mit der Kurbelwelle einzeln verbindbar sind, und mehrere Kraftstoffinjektoren, die den mehreren Zylindern zugeordnet sind, aufweisen. Das Kraftstoffsystem kann auch ein Common-Rail aufweisen, das zum Speichern von verdichtetem Kraftstoff ausgebildet ist. Das Kraftstoffsystem kann zusätzlich mehrere erste Leitungen aufweisen, wobei jede erste Leitung einen Pumpenzylinder, der einem Plunger der mehreren Plunger zugeordnet ist, mit dem Common-Rail in Fluidverbindung setzt. Das Kraftstoffsystem kann ferner mehrere zweite Leitungen aufweisen, wobei jede zweite Leitung das Common-Rail mit einem Kraftstoffinjektor der mehreren Kraftstoffinjektoren in Fluidverbindung setzt.
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Gemäß einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Nachrüsten einer vorhandenen Brennkraftmaschine mit mehreren mechanischen Kraftstoffpumpen und mehreren Zylindern gerichtet. Das Verfahren kann das Trennen der Fluidverbindung jeder mechanischen Pumpeneinheit von einem vorhandenen passiven mechanischen Injektor aufweisen. Das Verfahren kann ferner das fluidtechnische Miteinanderverbinden eines Ausgangs jeder der mehreren mechanischen Pumpeneinheiten durch ein Common-Rail aufweisen. Das Verfahren kann zusätzlich das Installieren mehrerer elektronisch gesteuerter Kraftstoffinjektoren aufweisen. Das Verfahren kann auch das fluidtechnische Verbinden des Common-Rails mit jedem der mehreren elektronisch gesteuerten Kraftstoffinjektoren aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein beispielhaft offenbartes Brennkraftmaschinensystem, und
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2 zeigt eine beispielhaft offenbarte mechanische Pumpeneinheit, die in Verbindung mit dem Brennkraftmaschinensystem der 1 verwendet werden kann.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt ein beispielhaftes Brennkraftmaschinensystem 10, das zu den offenbarten Ausführungsformen passt. Das Brennkraftmaschinensystem 10 weist eine Brennkraftmaschine 12 und ein Kraftstoffsystem 14 auf. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist die Brennkraftmaschine 12 als eine Sechs-Zylinder-Dieselbrennkraftmaschine dargestellt und beschrieben. Fachleute werden indes erkennen, dass die Brennkraftmaschine 12 ein anderer Brennkraftmaschinentyp sein kann, wie beispielsweise eine Benzinbrennkraftmaschine.
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Die Brennkraftmaschine 12 kann einen Brennkraftmaschinenblock 16 aufweisen, der mehrere Zylinder 18 definiert (festlegt). Ein Kolben 20 kann bewegbar in jedem Zylinder 18 angeordnet sein. Die Brennkraftmaschine 12 kann auch einen Zylinderkopf 22 aufweisen, der jedem Zylinder 18 zugeordnet ist. Der Zylinder 18, der Kolben 20 und der Zylinderkopf 22 bilden zusammen eine Verbrennungskammer 24. In der beispielhaften Ausführungsform weist die Brennkraftmaschine 12 sechs Verbrennungskammern 24 auf. Fachleute werden bereits erkannt haben, dass die Brennkraftmaschine 12 eine größere oder kleinere Anzahl von Verbrennungskammern 24 aufweisen kann und dass die Verbrennungskammern 24 in einer Reihen-Konfiguration, einer V-Konfiguration oder irgendeiner anderen üblichen Konfiguration angeordnet sein können.
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Wie ebenso in 1 gezeigt, kann die Brennkraftmaschine 12 eine Kurbelwelle 26 aufweisen, die rotierbar in dem Kraftmaschinenblock 16 angeordnet ist. Ein Pleuel 28 kann jeden Kolben 20 mit der Kurbelwelle 26 verbinden. Jeder Kolben 20 kann mit der Kurbelwelle 26 derart verbunden sein, dass die Gleitbewegung des Kolbens 20 in dem entsprechenden Zylinder 18 zu einer Rotation der Kurbelwelle 26 führt. Gleichermaßen führt eine Rotation der Kurbelwelle 26 zu einer Gleitbewegung des Kolbens 20.
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Das Kraftstoffsystem 14 kann Kraftstoff in jede Verbrennungskammer 24 für eine nachfolgende Verbrennung und eine mechanische Ausgabe zuführen. Die Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammern 24 kann mit der Bewegung des Kolbens 20 synchronisiert sein. Beispielsweise kann Kraftstoff eingespritzt werden, wenn der Kolben 20 sich einer oberen Totpunktposition während eines Verdichtungshubs annähert, um eine Verbrennung durch Kompressionszündung (Selbstzündung) des eingespritzten Kraftstoffs zu ermöglichen. Alternativ kann die Verbrennung mittels eines Funkens gezündet werden.
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Das Kraftstoffsystem 14 kann ein Pumpsystem 30, ein Einspritzsystem 32 und ein Steuersystem 34 aufweisen, die dazu ausgebildet sind, zum Zuführen von Kraftstoff zu der Brennkraftmaschine 12 zusammenzuarbeiten. Das Pumpsystem 30 kann Kraftstoff zu dem Einspritzsystem 32 zum Einspritzen in die Verbrennungskammern 24 aufweisen. Das Steuersystem 34 kann einige Komponenten des Pumpsystems 30 und des Einspritzsystems 32 elektronisch regeln, wie untenstehend näher beschrieben ist.
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Das Pumpsystem 30 kann ein Kraftstoffreservoir 36, eine Transferpumpe 38 und mehrere mechanische Pumpeneinheiten 40 zum Zuführen von Kraftstoff zum Einspritzsystem 32 aufweisen. Das Kraftstoffreservoir 36 kann ein Kraftstofftank sein, der zum Zuführen von Kraftstoff zu der Transferpumpe 38 ausgebildet ist. Die Transferpumpe 38 kann eine Niedrigdruckpumpe sein, die zum Fördern von Kraftstoff zu jeder mechanischen Pumpeneinheit 40 ausgebildet ist. Die Transferpumpe 38 kann mit jeder mechanischen Pumpeneinheit 40 durch Kraftstoffleitungen 42 verbunden sein. Jede mechanische Pumpeneinheit 40 kann zum Empfangen von Kraftstoff von einer entsprechenden Kraftstoffleitung 42 und zum Verdichten des Kraftstoffs zum Fördern zu dem Einspritzsystem 32 ausgebildet sein.
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Für die Zwecke dieser Offenbarung kann jede mechanische Pumpeneinheit 40 als eine konventionelle Pumpeneinheit ausgebildet sein, die normalerweise zum Fördern von Kraftstoff zu einem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine verwendet wird. Beispielsweise kann jede mechanische Pumpeneinheit 40 einen Pumpenzylinder (Gehäuse) 44 und einen Plunger 46, der sich in dem Gehäuse 44 auf eine im Stand der Technik bekannte Weise zum Verdichten von Kraftstoff hin- und herbewegt, aufweisen. Nachdem der Kraftstoff in den Pumpenzylinder 44 einströmt, kann der Plunger 46 in den Pumpenzylinder 44 einfahren und den Druck des Kraftstoffs erhöhen, so dass ein Teil des verdichteten Kraftstoffs in das Einspritzsystem 32 für die nachfolgende Einspritzung in die Zylinder 18 gedrückt (geschoben) wird. Jeglicher Kraftstoff, der nicht in das Einspritzsystem 32 einströmt, kann zu einem Niedrigdruckreservoir, wie beispielsweise das Kraftstoffreservoir 36, über einen Überlaufdurchgang 48 geleitet werden. Während hierin eine Pumpeneinheit mit Pumpenzylinder 44 und Plunger 46 beschrieben ist, sollte verstanden werden, dass, wenn gewünscht, jede mechanische Pumpeneinheit 40 anders ausgebildet sein kann.
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Jeder Plunger 46 kann zum Hin- und Herbewegen mittels einer Nocke 50, die an einer funktional mit der Kurbelwelle 26 verbundenen Pumpenantriebswelle 52 angeordnet ist, angetrieben werden. Die Pumpenantriebswelle 52 kann mit der Kurbelwelle 26 auf eine dem Fachmann bereits bekannte Weise verbunden werden, gemäß der eine Rotation der Kurbelwelle 26 zu einer entsprechenden Rotation einer Pumpenantriebswelle 52 führt. Beispielsweise kann die Pumpenantriebswelle 52 mit der Kurbelwelle 26 über einen Getriebezug (Getriebe) 54 verbunden sein. Die Rotation der Nocken 50 kann zu einer Linearbewegung des Plungers 46 führen. Während hierin die Nocke 50 offenbart ist, wird darauf hingewiesen, dass andere Antriebselemente zum funktionalen Verbinden der Rotation zwischen der Pumpenantriebswelle 52 und dem Plunger 46 verwendet werden können, wie beispielsweise eine Schrägscheibe, eine Taumelscheibe, ein Solenoid-Aktuator, ein Piezo-Aktuator, ein Hydraulik-Aktuator, ein Motor oder jegliches anderes im Stand der Technik bekannte Antriebsmittel.
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Wie man am besten in 2 sieht, kann die Nocke 50 eine Nase 90A aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den Plunger 46 in dem Pumpenzylinder 44 nach oben zu drücken. Wenn die Nocke 50 nur eine Nase 90A aufweist, kann der Plunger 46 dazu ausgebildet sein, sich bei jeder Rotation der Pumpenantriebswelle 52 durch einen vollständigen Pumpzyklus zwischen zwei beabstandeten Positionen in dem Pumpenzylinder 44 zu bewegen (d. h., einmal pro Zyklus der Brennkraftmaschine). 2 zeigt auch eine alternative Ausführungsform, in der die Nocke 50 die Nase 90A und eine zweite Nase 90B (dargestellt durch gepunktete Linien in 2) aufweist In dieser Ausführungsform kann der Plunger 46 dazu ausgebildet sein, sich bei jeder Rotation der Pumpenantriebswelle 52 durch zwei vollständige Zyklen zwischen den zwei beabstandeten Positionen in dem Pumpenzylinder 44 zu bewegen (d. h., zweimal pro Zyklus der Brennkraftmaschine). Daher kann jede mechanische Pumpeneinheit 40 zum zweimaligen Verdichten des Common-Rails 70 pro Zyklus der Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Anzahl der mechanischen Pumpeneinheiten 40, die benötigt werden, um einen gewünschten Kraftstoffdruck in dem Common-Rail 70 zu halten, geringer als die Anzahl der Zylinder 18 der Brennkraftmaschine 12 sein. Zum Beispiel kann für eine Brennkraftmaschine 12, in der in jeden der sechs Zylinder 18 einmal pro Zyklus der Brennkraftmaschine Kraftstoff eingespritzt wird, das Pumpensystem 30 nur drei mechanische Pumpeneinheiten 40 benötigen, wobei jede zweimal pro Zyklus der Brennkraftmaschine Kraftstoff in das Common-Rail 70 fördert. Auf diese Weise wird berücksichtigt, dass für eine gegebene Brennkraftmaschine 12 das Verhältnis von Zylindern 18 zu mechanischen Pumpeneinheiten 40, die für das Kraftstoffsystem 14 benötigt werden, gleich der Anzahl von Nasen pro Nocke 50 sein kann (d. h., die Anzahl von Pumpzyklen pro vollständiger Rotation der Nocke 50).
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Jede mechanische Pumpeneinheit 40 kann zum Verändern der Kraftstoffmenge, die zu dem Kraftstoffeinspritzsystem 32 auf jegliche konventionelle, im Stand der Technik bekannte Weise gefördert wird, mechanisch gesteuert werden. Zum Beispiel kann jeder Plunger 46 eine schraubenförmige Ausnehmung (Steuerkante) 56 aufweisen, die einen Nutzhub (effektiven Hub) des Plungers 46 basierend auf einer Rotationsposition des Plungers 46 und der schraubenförmigen Ausnehmung 56 definiert. Der Nutzhub kann die Kraftstoffmenge definieren, die jede mechanische Pumpeneinheit 40 pro Hub des Plungers 46 zu dem Einspritzsystem 32 fördert. Zum Beispiel kann der Plunger 46 in eine erste Richtung zum Ermöglichen eines längeren Nutzhubs rotiert werden, wodurch die zu dem Kraftstoffsystem 32 bei jedem Hub des Plungers 46 geförderte Kraftstoffmenge erhöht wird. Gleichermaßen kann der Plunger 46 in eine zweite entgegengesetzte Richtung zum Verringern des Nutzhubs rotiert werden und damit zum Verringern der zu dem Einspritzsystem 32 geförderten Kraftstoffmenge. Jeder Plunger 46 kann ein Zahnrad oder Ritzel 57 (nur in 2 gezeigt) aufweisen, das mit einer Zahnstange 58 in Eingriff steht. Eine Linearbewegung der Zahnstange 58 kann eine Rotation jedes Plungers 46 über jedes Zahnrad 57 bewirken. Ein Motor 60 (unter Bezugnahme auf 1) kann zum Bewirken einer Linearbewegung der Zahnstange 58 ausgebildet sein und damit die Plunger 46 rotieren, bis ein gewünschter Nutzhub erreicht ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Motor 60 ein Schrittmotor sein, der in der Lage ist, die Zahnstange 58 um bestimmte (diskrete) Beträge (d. h., Zahnstangeneinstellungen) zu verstellen, obwohl auch andere Vorrichtungen möglich sein können (zum Beispiel ein Hydraulik- oder Pneumatik-Linear-Aktuator).
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In einem konventionellen Kraftstoffsystem mit mechanischen Pumpeneinheiten 40 wird der verdichtete Kraftstoff von jeder einzelnen mechanischen Pumpeneinheit 40 zu einem einzelnen passiven mechanischen Injektor zum Einspritzen in einen der Zylinder der Brennkraftmaschine gefördert. Für die Zwecke dieser Offenbarung bezieht sich ein passiver mechanischer Injektor auf eine Einspritzdüse oder andere Vorrichtung, die nicht elektronisch gesteuert oder betätigt wird. In dem offenbarten Kraftstoffsystem 14 kann jede mechanische Pumpeneinheit 40 zum Fördern von Kraftstoff zu mehreren Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 ohne signifikante Modifikation an den mechanischen Pumpeneinheiten 40 verbunden werden.
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In der beispielhaften Ausführungsform von 1 kann jede Kraftstoffeinspritzeinheit 62 ein Nachrüstbauteil sein, das an einer vorhandenen Brennkraftmaschine 12 im Austausch für einen konventionellen passiven mechanischen Injektor, der normalerweise einer mechanischen Pumpeneinheit 40 zugeordnet ist, installiert (montiert) ist. Jede Kraftstoffeinspritzeinheit 62 kann eine elektrische Steuereinheit 64 und eine Einspritzdüse 66, die zum Einspritzen einer verdichteten Kraftstoffmenge in die Verbrennungskammer 24 betreibbar ist, aufweisen. Jede Einspritzdüse 66 kann ein Ventil 68 aufweisen, das zum Verhindern einer Kraftstoffeinspritzung in eine entsprechende Verbrennungskammer 24 selektiv geschlossen und zum Einspritzen selektiv geöffnet sein kann. Jedes Ventil 68 kann normalerweise geschlossen sein, aber durch eine entsprechende Steuereinheit 64, beispielsweise basierend auf einem Signal von dem Steuersystem 34, zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammern 24 selektiv geöffnet werden.
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Das Einspritzsystem 32 kann auch ein Common-Rail 70 aufweisen, das zum Speichern von durch die mechanischen Pumpeneinheiten 40 verdichteten Kraftstoff für die Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 ausgebildet ist. Das Common-Rail 70 kann an einer vorhandenen Brennkraftmaschine zum Verwenden vorhandener konventioneller Pumpeneinheiten (d. h., mechanischer Pumpeneinheiten 40) installiert werden. Das Common-Rail 70 kann mit einzelnen mechanischen Pumpeneinheiten 40 über unabhängige Zufuhrleitungen 72 verbunden sein. In einer Ausführungsform können die Zufuhrleitungen 72 vorhandene Kraftstoffleitungen, die ursprünglich die mechanischen Pumpeneinheiten 40 mit passiven mechanischen Injektoren (nicht gezeigt) verbunden haben, sein. Das Common-Rail 70 kann auch mit jeder Kraftstoffeinspritzeinheit 62 über Auslassleitungen 76 verbunden sein. Die Auslassleitungen 76 können Hochdruckleitungen sein, die als Nachrüstkomponenten hinzugefügt werden, die es verdichtetem Kraftstoff von allen mechanischen Pumpeneinheiten 40 ermöglicht, zwischen allen Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 aufgeteilt zu werden. Während das Common-Rail 70 als alle Zufuhrleitungen 72 mit allen Auslassleitungen 76 verbindend dargestellt ist, ist zu berücksichtigen, dass andere Anordnungen möglich sind. Einzelne Rails können die Zufuhrleitungen 72 in Sätzen von zwei, drei, etc. verbinden, so dass Kraftstoff von einigen, aber nicht allen, der mechanischen Pumpeneinheiten 40 auf einige, aber nicht alle, Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 verteilt wird. Zum Beispiel kann jede Zufuhrleitung 72 in Fluidverbindung mit exakt einer anderen Zufuhrleitung 72 durch ein separates Common-Rail 70 stehen.
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Als eine zusätzliche Nachrüstkomponente können eines oder mehrere Rückschlagventile 78 in den Zufuhrleitungen 72 zwischen den mechanischen Pumpeneinheiten 40 und dem Common-Rail 70 angeordnet sein, die dazu dienen, einen Kraftstoffrückfluss zurück zu den mechanischen Pumpeneinheiten 40 nach dem Einleiten in das Common-Rail 70 zu verhindern. Da die Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 normalerweise über das Ventil 68 geschlossen sind und Kraftstoff am Zurückfließen in das Pumpsystem 30 durch die Rückschlagventile 78 gehindert wird, kann sich der Kraftstoffdruck in dem Common-Rail 70 akkumulieren, wenn die mechanischen Pumpeneinheiten 40 Kraftstoff in die Zufuhrleitungen 72 zuführen.
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Das Steuersystem 34 kann Komponenten aufweisen, die zum Steuern unterschiedlicher Aspekte des Pumpsystems 30 und des Einspritzsystems 32 ausgebildet sind. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Steuersystem 34 eine Steuerung 80 aufweisen, die mit einem Sensor 82 über eine Kommunikationsleitung 84 verbunden ist. Die Steuerung 80 kann auch mit einem Motor 60 bzw. jeder Steuereinheit 64 der Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 durch Kommunikationsleitungen 86 bzw. 88 elektronisch verbunden sein. Die Steuerung 80 kann zum Empfangen eines Signals, das einen Leistungsparameter angibt, von dem Sensor 82 über die Kommunikationsleitung 84 und als Antwort darauf zum Kommunizieren mit dem Motor 60 und den Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 über die Kommunikationsleitungen 86, 88 ausgebildet sein.
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Die Steuerung 80 kann ein elektronisches Steuermodul (ECM) mit einer oder mehreren Computervorrichtungen, wie einem oder mehreren Mikroprozessoren, sein. Zum Beispiel kann die Steuerung 80 als ein allgemeiner Mikroprozessor ausgebildet sein, der in der Lage ist, eine Vielzahl von Maschinen- oder Brennkraftmaschinenfunktionen zu steuern. Die Steuerung 80 kann ferner alle zum Durchführen einer Anwendung benötigten Komponenten aufweisen, wie beispielsweise einen computerlesbaren Speicher, eine Zweitspeichervorrichtung und einen Prozessor, wie eine Zentralprozessoreinheit oder andere bekannte Mittel. Unterschiedliche andere bekannte Schaltungen umfassend Einstellvorrichtungen und andere geeignete Schaltungen können mit der Steuerung 80 verbunden sein.
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Der Sensor 82 kann ein oder mehrere Drucksensoren sein, die zum Messen eines Kraftstoffdrucks und Kommunizieren des aufgenommenen Drucks über die Verbindungsleitung 84 zu der Steuerung 80 ausgebildet sind. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Sensor 82 zum Messen eines Kraftstoffdrucks in dem Common-Rail 70 angeordnet sein. Der Sensor 82 kann irgendwo in oder nahe dem Common-Rail 70 angeordnet sein (zum Beispiel Zufuhrleitungen 72 und/oder Common-Rail-Leitungen 74), in dem ein durchschnittlicher Kraftstoffdruck im gesamten Common-Rail 70 bestimmt werden kann. Die Steuerung 80 kann zum Auswerten (Interpretieren) eines den Druck angebenden Signals von dem Sensor 82 und zum Bestimmen, ob eine Einstellung am Pumpsystem 30 und/oder Einspritzsystem 32 basierend auf dem Signal notwendig ist, ausgebildet sein.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das offenbarte Kraftstoffsystem 14 kann an jedem neuen oder vorhandenen Brennkraftmaschinensystem 10 anwendbar sein. In einem neuen Brennkraftmaschinensystem kann das offenbarte Kraftstoffsystem 14 als ein Common-Rail-System anwendbar sein, das zum Aufweisen jeglicher Anzahl von mechanischen Pumpen angepasst werden kann. In einer Nachrüstanwendung können die offenbarten Ausführungsformen insbesondere zum Anpassen eines vorhandenen Brennkraftmaschinensystems mit konventionellen Pumpeneinheiten in ein Common-Rail-System anwendbar sein, ohne der Notwendigkeit, die Pumpeneinheiten auszutauschen. Ein beispielhafter Prozess zum Nachrüsten zur Aufnahme des Kraftstoffsystems 14 in eine vorhandene Brennkraftmaschine ist untenstehend näher beschrieben, gefolgt von einer Beschreibung des Betriebs des Kraftstoffsystems 14.
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Zum Installieren eines Common-Rail-Systems an einer vorhandenen Brennkraftmaschine mit mechanischen Pumpeneinheiten 40 kann jede mechanische Pumpeneinheit 40 von den vorhandenen passiven mechanischen Injektoren getrennt werden. Jeder passive mechanische Injektor kann entfernt und durch eine elektronisch steuerbare Kraftstoffeinspritzeinheit 62 ausgetauscht werden. Danach kann ein Auslass jeder mechanischen Pumpeneinheit 40 mit den Krafteinspritzeinheiten 62 verbunden werden. Zum Beispiel können die Zufuhrleitungen 72 durch das Common-Rail 70 miteinander verbunden werden und das Common-Rail 70 kann mit jeder Kraftstoffeinspritzeinheit 62 durch eine separate Auslassleitung 76 verbunden sein. Es ist m berücksichtigen, dass in Abhängigkeit davon, wie die vorhandene Brennkraftmaschine ausgebildet ist, die Zufuhrleitungen 72 und/oder die Auslassleitungen 76 vorhandene Komponenten oder Nachrüstkomponenten sein können. Die Rückschlagventile 78 können zum Verhindern von Kraftstoffrückfluss in die mechanischen Pumpeneinheiten 40 in den Zufuhrleitungen 72 installiert werden.
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Zusätzlich zu den oben beschriebenen Nachrüstkomponenten kann das Kraftstoffsystem 14 zum Einstellen einer Pumpstrategie des Pumpsystems 30 modifiziert werden. Zum Beispiel können die Nocken 50 an der Pumpenantriebswelle 52 zum Einstellen der Anzahl von Pumpzyklen, die durch die Plunger 46 pro Umdrehung der Nocke 50 vollführt werden, modifiziert oder ausgetauscht werden. Wie in 2 gezeigt, kann eine vorhandene Nocke 50 mit einer Nase 90A durch eine Austauschnocke 50 mit zwei Nasen 90A und 90B ausgetauscht werden. Dies kann für einige oder alle mechanischen Pumpeneinheiten 40 gemacht werden, so dass die Anzahl der mechanischen Pumpeneinheiten 40, die zum Versorgen einer gegebenen Brennkraftmaschine 12 benötigt werden, verglichen mit einer vorhandenen Brennkraftmaschine, in dem eine mechanische Pumpeneinheit 40 für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, verringert werden.
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Zusätzlich können einige oder alle Steuersysteme 34 zum Steuern des nachgerüsteten Pumpsystems 30 und Einspritzsystems 32 installiert werden. Die Steuerung 80 kann an der vorhandenen Brennkraftmaschine installiert und mit jeder Kraftstoffeinspritzeinheit 62 elektronisch verbunden werden. Der Sensor 82 kann zum Messen eines Kraftstoffdrucks in dem Common-Rail 70 angeordnet und mit der Steuerung 80 elektronisch verbunden werden. Die Steuerung 80 kann zum Erzeugen eines Pfads zum Einstellen der mechanischen Pumpeneinheiten 40 auch mit dem Motor 60 elektronisch verbunden sein. Nach der Installation kann die vorhandene Brennkraftmaschine nachfolgend zum Zuführen von Kraftstoff zu den Zylindern 18 zusammen mit dem Kraftstoffsystem 14 betrieben werden.
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Unter Bezugnahme auf 1 kann, wenn das Kraftstoffsystem 14 in Betrieb ist, die Transferpumpe 38 Kraftstoff von dem Kraftstoffreservoir 36 zu den mechanischen Pumpeneinheiten 40 zuführen. Während die Brennkraftmaschine 12 in Betrieb ist, kann jede mechanische Pumpeneinheit 40 Kraftstoff in eine separate Zufuhrleitung 72 verdichten. Die mechanische Pumpeneinheit 40 kann Kraftstoff auf eine konventionelle, im Stand der Technik bekannte Weise zuführen. Zum Beispiel kann eine Rotation der Nocke 50 dazu führen, dass sich jeder Plunger 46 in einem entsprechenden Pumpenzylinder 44 hin- und herbewegt (zum Beispiel Bewegen durch Pumpzyklen aufweisend einen Einlasshub und einen Pumphub). Während des Einlasshubs des Plungers 46 kann Fluid in den Pumpenzylinder 44 über den Plunger 46 gezogen werden. Wenn der Plunger 46 den Pumphub beginnt, kann der sich in dem Pumpenzylinder 44 erhöhende Fluiddruck bewirken, dass der Kraftstoff in die Zufuhrleitung 72 einströmt. Der Kraftstoff kann fortwährend in die Zufuhrleitung 72 einströmen, bis der Plunger 46 eine Überlauföffnung (Steuerbohrung) freigibt, die es Kraftstoff ermöglicht, in den Überlaufdurchgang 48 einzuströmen und zurück zu dem Kraftstoffreservoir 36 zu fließen, das einen geringeren Druck als die Zufuhrleitung 72 hat. Die Winkelposition der schraubenförmigen Ausnehmung 56 des Plungers 46 kann bestimmen, wann die Überlauföffnung während jedes Zyklus freigegeben wird. Daher kann die Winkelposition des Plungers 46 mindestens teilweise die Kraftstoffmenge bestimmen, die in die Zufuhrleitung 72 pro Pumpzyklus einströmt (d. h., den Nutzhub).
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In einem konventionellen mechanisch gesteuerten Kraftstoffsystem kann der in jede Zufuhrleitung 72 einströmende Kraftstoff unverzüglich durch einen passiven mechanischen Injektor in eine entsprechende Verbrennungskammer 24 eingespritzt werden. Die offenbarte Brennkraftmaschine 12 kann ursprünglich solch ein Kraftstoffsystem aufweisen und zum Aufweisen des Common-Rails 70, der Rückschlagventile 78, der elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 und der Steuerung 80 nachgerüstet werden. Auf diese Weise kann der in die Zufuhrleitungen 72 gepumpte Kraftstoff in dem Common-Rail 70 gespeichert werden, bis den Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 selektiv signalisiert wird, die Ventile 68 zu öffnen und die Einspritzung des Kraftstoff in die Verbrennungskammern 24 zu ermöglichen. Allerdings sollte verstanden werden, dass, auch wenn das Kraftstoffsystem 14 hier als ein Nachrüstsystem beschrieben ist, eine Brennkraftmaschine ursprünglich zum Aufweisen einiger oder aller Komponenten des Kraftstoffsystems 14 konstruiert sein kann.
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In einem beispielhaften Prozess zum Steuern des Kraftstoffsystems 14 kann die Steuerung 80 eine oder mehrere Komponenten des Kraftstoffsystems 14 basierend auf einer Rückmeldung von dem Sensor 82 einstellen, wenn sich die Betriebsbedingungen (zum Beispiel Last, Geschwindigkeit und/oder Drückung der Brennkraftmaschine) der Brennkraftmaschine 12 verändern. Typischerweise kann eine in die Verbrennungskammern 24 pro Brennkraftmaschinenzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht werden, wenn sich die Last an der Brennkraftmaschine erhöht und umgekehrt. Daher kann sich die Kraftstoffmenge, die zum Kompensieren der Kraftstoffabnahme in dem Common-Rail 70 benötigt wird, in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen verändern. Es folgt, dass ein gewünschter Nutzhub des Plungers 46 auch verändert werden kann, wenn sich die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine verändern (zum Beispiel können höhere Lasten an der Brennkraftmaschine im Allgemeinen längere Nutzhübe als bei geringeren Lasten an der Brennkraftmaschine erfordern).
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Die Steuerung 80 kann Signale empfangen, die eine Brennkraftmaschinenleistung angeben (zum Beispiel Geschwindigkeit, Last und/oder Drückung der Brennkraftmaschine) und das Pumpsystem 30 und das Einspritzsystem 32 zum Verändern der jedem Zylinder 18 zugeführten Kraftstoffmenge entsprechend einstellen. Wenn beispielsweise die Steuerung 80 bestimmt, dass die Last an der Brennkraftmaschine zunimmt, kann die Steuerung 80 zum Steuern der Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 zur Einstellung der Einspritzansteuerung ein Signal über die Kommunikationsleitungen 86 zum Öffnen des Ventils 68 für eine längere Zeitdauer pro Einspritzung senden. Eine Einstellung der eingespritzten Kraftstoffmenge kann auch durch Erhöhen des Kraftstoffdrucks in dem Common-Rail 70 erreicht werden, was untenstehend näher beschrieben ist.
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Der Sensor 82 kann einen durchschnittlichen Druck in dem Common-Rail 70 messen und ein den Druck angebendes Signal zu der Steuerung 80 senden. Die Steuerung 80 kann das Signal auswerten und bestimmen, ob eine Einstellung der mechanischen Pumpeneinheiten 40 zum Erreichen eines gewünschten Kraftstoffdrucks in dem Common-Rail 70 notwendig ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der gewünschte Kraftstoffdruck einem erwarteten Kraftstoffdruck entsprechen, der zum Erreichen einer bestimmten Kraftstoffeinspritzmenge (für eine gegebene Kraftstoffeinspritzansteuerung) zur Abstimmung mit einer oder mehreren Bedingungen der Brennkraftmaschine notwendig ist. Wenn die Steuerung 80 ferner bestimmt, dass ein tatsächlicher Druck in dem Common-Rail 70 kleiner als der gewünschte Druck ist, kann die Steuerung 80 zum Erhöhen der Kraftstoffmenge, die in das Common-Rail 70 pro Pumpzyklus zugeführt wird, die mechanischen Pumpeneinheiten 40 einstellen und damit den Kraftstoffdruck in dem Common-Rail 70 erhöhen. Gleichermaßen kann eine Bestimmung, dass der tatsächliche Kraftstoffdruck größer als der gewünschte Druck ist, zu einer Einstellung zum Verringern der durch die mechanischen Pumpeneinheiten 40 geförderten Kraftstoffmenge führen.
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Der Motor 60 kann das Einstellen der mechanischen Pumpeneinheiten 40 auf eine konventionelle Weise ermöglichen. Zum Beispiel kann die Steuerung 80 zum Anweisen des Motors 60 zum Bewegen der Zahnstange 58 ein Signal über die Kommunikationsleitung 86 senden und damit bewirken, dass die Plunger 46 in den Pumpenzylindern 44 über die Zahnräder 57 rotieren. Wie hier beschrieben wurde, verändert die Rotation der Plunger 46 den Nutzhub der zugeordneten mechanischen Pumpeneinheit 40. Daher kann die Steuerung 80 die in das Common-Rail 70 zugeführte Kraftstoffmenge und somit den Kraftstoffdruck durch Senden von Signalen zu dem Motor 60, der den Nutzhub eines oder mehrerer mechanischer Pumpeneinheiten 40 entsprechend einstellen kann, steuern. Die Steuerung 80 kann zum Bestimmen des Grades der Verstellung der Zahnstange 58, der zum Angleichen eines tatsächlichen Kraftstoffdrucks in dem Common-Rail 70 an einen gewünschten Kraftstoffdruck notwendig ist, auf eine Steuerkennlinie (Steuertabelle) referenzieren. Auf diese Weise kann das Kraftstoffsystem 14 zum Ermöglichen eines effizienten Betriebs der Brennkraftmaschine 12 das Steuersystem 34 zum Steuern des Pumpsystems 30 und des Einspritzsystems 32 verwenden.
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Das Kraftstoffsystem 14 der vorliegenden Offenbarung kann in unterschiedlichen Brennkraftmaschinensystemen, insbesondere in solchen mit mechanischen Pumpeneinheiten, dadurch verwendet werden, dass die Anpassung von Brennkraftmaschinen zur Aufnahme eines Common-Rail-Kraftstoffsystems, während einige vorhandene Kraftstoffsystemkomponenten weiterhin verwendet werden, ermöglicht wird. Dies wird durch das Hinzufügen der Rückschlagventile 78 und der Common-Rail-Leitung 70 erreicht, um zu ermöglichen, dass sich Kraftstoffdruck in den Zufuhrleitungen 72 akkumuliert, während Überdruck auf jegliche Kraftstoffeinspritzeinheit 62 verhindert wird. Da ferner das Vorsehen des Common-Rails 70 zu einer Verteilung des Kraftstoffdruck über alle Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 führt, wird die Einheitlichkeit der Kraftstoffeinspritzung über die Zylinder 18 verbessert und eine verbesserte Steuerung der Kraftstoffeinspritzung erreicht. Eine verbesserte Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einer nachgerüsteten Brennkraftmaschine 12 kann eine verbesserte Leistung der Brennkraftmaschine erzeugen, da die Steuerung von Parametern, wie Geschwindigkeit, Last und Drückung der Brennkraftmaschine, durch Eingaben zu den Kraftstoffeinspritzeinheiten 62 direkter gesteuert werden können (im Gegensatz zu indirekter Steuerung über eine Einstellung der mechanischen Pumpeneinheiten 40). Zusätzlich vervollständigt die Aufnahme der Steuerung 80 und des Sensors 82 eine Umwandlung hin zu einem elektronisch gesteuerten Common-Rail-System, während ermöglicht wird, dass die mechanischen Pumpeneinheiten 40 beibehalten werden, was dazu dienen kann, einen kostspieligen Einkauf einer neuen Pumpe zu vermeiden.
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Ein zusätzlicher Vorteil kann durch Modifizieren der Form der Nocken 50 erreicht werden (zum Beispiel zum Aufweisen von zwei Nasen 90A, 90B wie in 2 gezeigt), was zu weniger benötigten mechanischen Pumpeneinheiten zum Versorgen des Common-Rails 70 führt. Dies kann Kosteneinsparungen in einer neuen Brennkraftmaschinenanwendung bewirken, da weniger Pumpen aufgenommen werden müssen. In einer Brennkraftmaschinenanwendung mit Nachrüstung kann von zusätzlichen Vorteilen profitiert werden, da Pumpen entfernt und für andere Zwecke verwendet (zum Beispiel als Ersatzteile) oder als Redundanzpumpen (Backup-Pumpen) beibehalten werden können.
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Fachleute werden erkennen, dass unterschiedliche Modifikationen und Variationen an dem Kraftstoffsystem der vorliegenden Offenbarung gemacht werden können, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Andere Ausführungsformen werden Fachleute unter Berücksichtigung der Beschreibung und Anwendung der hier offenbarten Ausführungsformen erkennen. die Beschreibung und die Beispiele sind lediglich dazu gedacht, als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die nachfolgenden Ansprüche angegeben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7950371 [0004, 0004, 0004, 0005, 0005, 0005]
