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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst ein
Kraftstoffsystem für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Kraftstoff-Direkteinspritzung,
mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, welche von der Brennkraftmaschine
mechanisch angetrieben wird, und mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
weiche elektrisch angetrieben wird.
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Ein derartiges Kraftstoffsystem ist
aus der
DE 199 39
051 A1 bekannt. Bei diesem wird eine mechanische Kraftstoffpumpe
von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben und dient
zum Aufbau und Aufrechterhalten des Kraftstoffhochdrucks bei laufender
Brennkraftmaschine. Eine zusätzliche
elektrische Kraftstoffpumpe erzeugt vor oder während des Motorstarts einen
Kraftstoffhochdruck in einer Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail").
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An diese Kraftstoff-Sammelleitung
sind mehrere Injektoren angeschlossen, die den Kraftstoff direkt
in ihnen zugeordnete Brennräume
einspritzen. Durch die zusätzliche
elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe, welche typischerweise
eine Förderleistung
von 2 bis 5 W erbringen sollte, ist sichergestellt, dass bereits
beim Start der Brennkraftmaschine ein so hoher Kraftstoffdruck vorliegt,
dass eine für
das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine gute Zerstäubung des
Kraftstoffs bei der Einspritzung erfolgen kann.
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Die bei dem bekannten Kraftstoffsystem
zum Einsatz kommende Hochdruck-Kraftstoffpumpe kann nämlich erst
dann den zum normalen Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen
Hochdruck, zum Beispiel 20 – 30
bar, bereitstellen, wenn die Brennkraftmaschine läuft. Daher
liegt – ohne
die zusätzliche
elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpe – beim Start der Brennkraftmaschine
kein Hochdruck vor, was zu einer qualitativ nicht ausreichenden
Kraftstoffaufbereitung und zu erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen
führen
könnte.
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Zudem ist es beim Starten einer Brennkraftmaschine
mit Kraftstoff-Direkteinspritzung in der Regel erforderlich, ein
Mehrfaches, zum Beispiel das Drei- oder Vierfache, der Kraftstoff-Volllastmenge des
Motors einzuspritzen, was nur mit der mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe
der bekannten Kraftstoff-Direkteinspritzungsvorrichtung ebenfalls
nicht möglich
wäre.
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Der Nachteil des bekannten Kraftstoffsystems
liegt jedoch darin, dass das Kraftstoffsystem relativ groß und komplex
baut, was seinen Einsatz unter beengten Platzverhältnissen
erschwert. Ferner ist die Installation des bekannten Kraftstoffsystems
zeitaufwendig und daher teuer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
dass es möglichst
klein baut und preiswert installiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffsystem
der eingangs genannten Art zum einen dadurch gelöst, dass die mechanisch angetriebene
Hochdruck-Kraftstoffpumpe und die elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe
eine Baueinheit bilden.
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Die obige Aufgabe wird bei einem
Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art zum anderen dadurch
gelöst,
dass die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe und die Kraftstoff-Sammelleitung eine
Baueinheit bilden.
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Vorteile der
Erfindung
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem hat den
Vorteil, dass die Zusammenfassung von an sich vollkommen unterschiedlichen
Komponenten, im ersten Fall der beiden Kraftstoffpumpen, was zu
einer "Hybridpumpe" führt, und
im zweiten Fall der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe und der Kraftstoff-Sammelleitung,
in eine Baueinheit den erforderlichen Bauraum erheblich reduziert.
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Der Grund hierfür liegt darin, dass im ersten Fall
die ansonsten bei separater Ausbildung der beiden Pumpen erforderlichen
zusätzlichen
Leitungen und Anschlüsse
nicht mehr benötigt
werden. Ferner ist auch die Installation des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems
vergleichsweise preiswert, da die Handhabung der zu einer Baueinheit
zusammengefassten Komponenten vergleichsweise einfach ist und nur
wenige Verbindungsarbeiten erforderlich sind.
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Die zweite vorgeschlagene Lösung führt ebenfalls
zu einer erheblichen Reduktion des erforderlichen Bauraums und zu
einer Verringerung des Bauaufwands. Durch die Reduktion des Schadvolumens
wird aber zusätzlich
die Effektivität
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe verbessert, so dass diese nochmals
kleiner ausfallen kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der ersten Lösung
wird vorgeschlagen, dass die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe und
die mechanisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe unterschiedliche
Pumpelemente, jedoch dasselbe Gehäuse aufweisen. Hierdurch wird
einerseits ermöglicht,
die für den
jeweiligen Betriebszweck optimale technische Auslegung der Kraftstoffpumpen
zu realisieren, andererseits wird die Baugröße der Baueinheit nochmals
reduziert und die Handhabung der Baueinheit durch die "einstöckige" Ausführung optimiert.
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In Weiterbildung der zweiten Lösung wird vorgeschlagen,
dass die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe an die Kraftstoff-Sammelleitung angebaut oder
in diese integriert ist. Die Kraftstoff-Sammelleitung ist ohnehin
ein stabiles Teil, so dass hierdurch die Stabilität der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
verbessert wird bzw. deren Gehäuse
kleiner ausfallen kann.
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Ferner kann die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
eingangsseitig mit einem Ausgang einer Ventileinrichtung, mit der
der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung eingestellt bzw. begrenzt
werden kann, verbunden sein. Der Ausgang führt über eine Rücklaufleitung üblicherweise
in einen Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems zurück. In einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist kein zusätzliches Einlassventil bei
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe erforderlich, da hierzu der Ausgang
des Drucksteuerventils genutzt werden kann. Die führt nochmals
zu einer baulichen Vereinfachung der zusätzlichen Pumpe und zu einer
Verringerung von deren Baugröße.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
eine wesentlich geringere Förderleistung
aufweist als die mechanisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe.
Auf diese Weise wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
im Grunde nur dazu dient, den für
den Start der Brennkraftmaschine in der Kraftstoff-Sammelleitung erforderlichen
Kraftstoff-Hochdruck zu erzeugen.
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Beim Start der Brennkraftmaschine
wird, um eine gute Zerstäubung
des Kraftstoffes durch die Injektoren zu gewährleisten, ein hoher Kraftstoffdruck gewünscht. Um
diesen Druck aufzubauen, steht ein Zeitraum zur Verfügung, in
dem aus der Kraftstoff-Sammelleitung noch kein Kraftstoff abgeführt wird.
Die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
fördert
also quasi in ein geschlossenes System. Auch aus diesem Grunde genügt eine
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe mit vergleichsweise geringer Förderleistung. Eine
derartige Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
mit geringer Förderleistung
baut jedoch vergleichsweise klein, was ihre Integration in eine
Baueinheit mit der mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe erleichtert
und die Baugröße dieser
Baueinheit nochmals reduziert. Darüber hinaus ist sie vergleichsweise
preiswert.
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Vorgeschlagen wird bei der Erfindung
auch, dass das Kraftstoffsystem eine Einrichtung aufweist, welche
den Betrieb der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe nach dem Starter
der Brennkraftmaschine beendet. Auf diese Weise wird die Betriebsdauer
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe reduziert, so dass sie weniger
stabil bauen muss. Dies macht sie nochmals preiswert und ermöglicht eine
nochmals verkleinerte Bauweise.
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Besonders vorteilhaft ist jene Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems,
bei dem die Einrichtung den Betrieb der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
spätestens
dann beendet, wenn eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine eine
bestimmte Drehzahl, vorzugsweise Leerlaufdrehzahl, erreicht hat.
Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass für
einen sicheren Start der Brennkraftmaschine oft eine einzige ausreichend
zerstäubte
Starteinspritzung pro Zylinder genügt. Dies ist bei Viertakt-Brennkraftmaschinen
nach zwei vollen Kurbelwellenumdrehungen der Fall.
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Dabei wurde auch erkannt, dass bereits
nach zwei Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine üblicherweise
eine Drehzahl – beispielsweise Leerlaufdrehzahl – erreicht
wird, bei der die mechanisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe
einen für
den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Kraftstoff-Hochdruck
in der Kraftstoff-Sammelleitung alleine sicher stellen kann. Dies umso
mehr, als in den meisten Fällen
zum Starten einer Brennkraftmaschine bei den ersten Einspritzungen
in die Brennräume
der Zylinder eine Übermenge an
Kraftstoff eingespritzt wird, das heißt, dass nach diesen ersten
Einspritzungen die in die Brennräume der
Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge wieder reduziert
wird.
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Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem
kann die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe besonders klein und einfach
bauen, da sie nur für
die ersten Starteinspritzungen bis zum Erreichen einer bestimmten
Drehzahl (vorzugsweise Leerlaufdrehzahl) benötigt wird.
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Besonders bevorzugt wird auch, wenn
das Volumen der Kraftstoff-Sammelleitung so gewählt ist, dass in alle Zylinder
der Brennkraftmaschine eine Ersteinspritzung nach dem Start mit
einem gewünschten
Kraftstoff-Hochdruck auch bei geringer oder nicht vorhandener Förderleistung
der mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe möglich ist. Auf
diese Weise ist die Fördermenge,
die von der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe gefördert werden kann, letztlich
ohne Einfluss auf die allerersten Einspritzungen des Kraftstoffes
in die Brennräume
der Brennkraftmaschine. Somit kann eine noch kleinere Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
verwendet werden, die eine entsprechend geringe Fördermenge
fördert. Auswirkungen
hat dies nur auf die Dauer des Vorlaufs, der vor dem Starten der
Brennkraftmaschine erforderlich ist, um den gewünschten Kraftstoff-Hochdruck
in der Kraftstoff-Sammelleitung bereitzustellen.
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Dabei ist auch denkbar, dass das
Kraftstoffsystem eine Einrichtung umfasst, welche die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
auch bei Volllast der Brennkraftmaschine einschaltet. In diesem
Fall kann durch die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe die Gesamt-Förderleistung, mit der Kraftstoff
in die Kraftstoff-Sammelleitung
gefördert
wird, erhöht
werden, um Bedarfsspitzen abzudecken.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass
das Kraftstoffsystem eine Erfassungseinrichtung umfasst, welche
derart ausgeführt
ist, dass sie den Leistungsabruf an die Brennkraftmaschine erfasst,
und die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
während
eines vorgegebenen Zeitraums betrieben wird, welcher zwischen einem
ersten Zeitpunkt, an dem die Erfassungseinrichtung einen Leistungsabruf oberhalb
einer vorgegebenen Leistungsschwelle erfasst, und einem zweiten
Zeitpunkt liegt, an dem der Leistungsabruf unter die vorgegebene
Leistungsschwelle sinkt.
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Mit Hilfe einer derartigen Erfassungseinrichtung
kann die elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe dann
zugeschaltet werden, wenn aufgrund eines erhöhten Leistungsabrufs ein Hochdruck-Niveau
erforderlich ist, welches über demjenigen
liegt, das die abhängig
vom Laut der Brennkraftmaschine arbeitende mechanisch angetriebene
Hochdruck-Förderpumpe
im Normalbetrieb bereitstellen kann. Derartige Leistungsspitzen
werden aufgefangen, indem die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe bedarfsweise
zugeschaltet wird. Eine derartige Erfassungseinrichtung kann auch
mit einer Mehrzahl verschiedener Leistungsschwellen arbeiten und
alternativ oder zusätzlich
eine vorzugebende Ansprech-Hysterese
haben.
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Besonders klein und preiswert baut
eine Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe,
welche durch einen Elektromagneten betätigt wird.
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Wenn der Elektromagnet als Proportionalmagnet
ausgeführt
ist, lässt
sich ein großer
Pumpenhub realisieren, was die Förderleistung
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe erhöht.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der
Magnetanker des Elektromagneten direkt mit einer Kolbenstange der
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe verbunden ist, wobei der Durchmesser
des Magnetankers größer ist
als derjenige der Kolbenstange. Bei gegebenen Elektromagneten lassen
sich so hohe Förderdrücke realisieren.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems
sieht vor, dass es ein Mengensteuerventil umfasst, welches abhängig von
einer Steuerungsvorgabe das Pumpenvolumen der mechanisch angetriebenen
Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit der Niederdruck-Eingangsseite der
mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe verbinden und
anschließend während eines
vorgegebenen Zeitraums trennen kann. Dies ermöglicht einen schnellen Druckaufbau durch
die mechanisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe, was wiederum
die Anforderungen an die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe reduziert.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist auch ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem
Kraftstoffsystem, welches eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe, die von
der Brennkraftmaschine mechanisch angetrieben wird, und eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe
aufweist, welche elektrisch angetrieben wird. Auch ein solches Kraftfahrzeug
ist aus der
DE 199
39 051 A1 bekannt. Zur Verbesserung eines derartigen Kraftfahrzeugs
wird vorgeschlagen, dass das Kraftstoffsystem in der obigen Art ausgebildet
ist.
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In Weiterbildung hierzu wird auch
vorgeschlagen, dass die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe durch ein
Betätigungssignal
einer Fahrertür
des Kraftfahrzeugs in Betrieb gesetzt werden kann. Zwischen dem Öffnen der
Fahrertür
und dem Starten der Brennkraftmaschine vergeht eine ausreichend
lange Zeit, um den für
ein sicheres Starten der Brennkraftmaschine erforderlichen Kraftstoff-Hochdruck
in der Kraftstoff-Sammelleitung auch bei einer vergleichsweise kleinen
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe zu erzeugen. Das eigentliche Starten
der Brennkraftmaschine kann dann ohne Verzögerung erfolgen.
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Analog hierzu wird auch vorgeschlagen, dass
die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
durch ein Betätigungssignal
eines berührungslosen
Zugangssystems des Kraftfahrzeugs in Betrieb gesetzt werden kann.
Bei dieser Weiterbildung steht ein noch größerer Zeitraum zum Aufbau des
Kraftstoff-Hochdrucks
in der Kraftstoff-Sammelleitung zur Verfügung. Der Druckaufbau kann
nämlich
erfolgen, während
der Benutzer sich nach dem Auslösen
des Entriegelungssignals der Zugangstür, zum Beispiel der Fahrertür eines
Kraftfahrzeuges, nähert,
diese öffnet und
einsteigt, bis er schließlich
die Brennkraftmaschine startet. Die entsprechende Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
und die so gebildete Baueinheit mit der mechanisch angetriebenen
Kraftstoffpumpe kann daher nochmals kleiner bauen.
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Mit solchen Erfassungseinrichtungen,
wie sie in den obigen beiden Absätzen
beschrieben werden, wird der Startwunsch des Benutzers bereits vor dem
eigentlichen Starten des Brennkraftmaschine erfasst. Es sei an dieser
Stelle aber darauf hingewiesen, dass auch andere Verfahren denkbar
sind, beispielsweise eine Betätigung
durch eine Sitzerkennung oder eine Betätigung durch einen Kontakt
eines Zündschlüssels mit
einem Zündschloss.
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In einer anderen Weiterbildung wird
vorgeschlagen, dass das Kraftstoffsystem eine Einrichtung umfasst,
welche die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe abschaltet, wenn ein gewünschter
Kraftstoffdruck erreicht ist, noch bevor die Brennkraftmaschine
gestartet wird. Auch dies verlängert
die Lebensdauer der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe und reduziert
unnötige
Belastungen des Hochdruckbereichs des Kraftstoffsystems. In diesem
Fall kann die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
wieder eingeschaltet werden, wenn der Startvorgang der Brennkraftmaschine erkannt
wird oder wenn der Kraftstoffdruck nach längerer Zeit (bei eingeschalteter
Zündung)
wieder abgesunken ist.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung im Detail erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erster Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffsystems;
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffsystems;
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3 einen
Schnitt durch eine erste Ausführungsform
einer elektrischen Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe,
die in den beiden Kraftstoffsystemen der 1 und 2 einsetzbar
ist;
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4 eine
schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffsystems;
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5 eine
schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem vierten
Ausführungsbeispiel
eines Kraftstoffsystems zur Versorgung einer Brennkraftmaschine
mit Kraftstoff, wobei das Kraftstoffsystem eine elektrisch angetriebene
Hochdruck- Hilfskraftstoffpumpe
und eine Kraftstoff-Sammelleitung
aufweist;
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6 ein
Diagramm, in dem der Betriebszustand der elektrisch angetriebenen
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe
von 1 und der Zeitraum
von Starteinspritzungen des Kraftstoffsystems von 1 über
der Zeit dargestellt sind; und
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7 ein
Diagramm, in dem der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung des Kraftstoffsystems
von 1 während des
Startens der Brennkraftmaschine über
der Zeit dargestellt ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehenes Kraftstoffsystem
schematisch dargestellt. Aus einem Kraftstoff-Reservoir 2 wird
mit einer Vorförderpumpe 3 Kraftstoff,
im vorliegenden Fall Benzin, über
eine Zulaufleitung 4 zu einem mechanisch gesteuerten Kraftstoffspeicher 5,
einem sogenannten „Rail" gefördert. Zwischen
der Vorförderpumpe 3 und
dem Rail 5 befindet sich in der Zulaufleitung 4 eine
Hochdruck-Pumpeinrichtung, welche als Baueinheit 6 ausgebildet
ist. Diese umfasst eine mechanische Hochdruck-Förderpumpe 7 mit einem vorgelagerten
Einlassventil 8 und einem nachgelagerten Auslassventil 9.
Parallel zur Hochdruck-Förderpumpe 7 ist
eine magnetisch betätigte
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 angeordnet, deren genauer
Aufbau noch beschrieben wird.
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Zur Realisierung dieser Parallelschaltung verzweigt
sich die Zulaufleitung 4 zwischen der Vorförderpumpe 3 und
dem Einlassventil 8 in einem Einlass-Verzweigungspunkt 11 in einen
der Hochdruck-Förderpumpe 7 und
einen der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 zugeordneten
Leitungsabschnitt. Der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 ist
ebenfalls ein vorgelagertes Einlassventil 12 und ein nachgelagertes
Auslassventil 13 zugeordnet. Nach den Auslassventilen 9 und 13 vereinigen
sich die der Hochdruck-Förderpumpe 7 und
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 zugeordneten Abschnitte
der Zulaufleitung 4 in einem Auslass-Verzeigungspunkt 14.
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An dem Rail 5 sind insgesamt
vier Hochdruck-Einspritzventile 15 angeschlossen,
die den Zylindern einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine zugeordnet
sind. Letztere ist zum Antrieb der Hochdruck-Förderpumpe 7 bei laufender
Brennkraftmaschine mit der Hochdruck-Förderpumpe 7 mechanisch
gekoppelt. Zwischen der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 und
den Hochdruck-Einspritzventilen 15 kann zusätzlich zur
Verringerung der erforderlichen Leistung der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 ein
entsprechendes zusätzliches
Druckspeichervolumen angeordnet sein. Die Vorförderpumpe 3, die Kraftstoff-Direkteinspritzungsvorrichtung 1 sowie
die Hochdruck-Einspritzventile 15 werden
von einem elektronischen Motorsteuergerät gesteuert.
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Details der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 zeigt
die gebrochene Schnittdarstellung der 3.
Die eingangsseitig der Baueinheit 6 Niederdruck aufweisende
Zulaufleitung 4 mündet
nach dem in 3 nicht
dargestellten Einlass-Verzweigungspunkt 11 in das Einlassventil 12.
Dieses weist einen Ventilkörper 16 auf,
der gegen den einlassseitigen Kraftstoffdruck mittels einer Schraubenfeder 17 gegen
einen Ventilsitz 13 gedrückt wird. Die Schraubenfeder 17 stützt sich
stromabwärts
an einem Zulaufleitungsabschnitt zwischen dem Einlassventil 12 und dem
Förderraum 19 ab.
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Stromabwärts des Einlassventils 12 mündet die
Zulaufleitung 4 in 3 horizontal
in einen Förderraum 19.
In 3 nach unten führt aus
dem Förderraum 19 die
Zulaufleitung 4 stromabwärts des Förderraums 19 zum Auslassventil 13.
Dieses umfasst einen kugelförmigen
Ventilkörper 20,
der von der Federkraft einer weiteren Schraubenfeder 21 gegen
einen Ventilsitz 22 in Richtung auf den Förderraum 19 zu
gedrückt
wird. Der Ventilsitz 22 ist als konusförmige Verengung der Zulaufleitung 4 stromabwärts des
Förderraums 19 gebildet.
Die Schraubenfeder 21 stützt sich an einer stromabwärts liegenden Auslassplatte 23 ab,
die fest mit einem Tragblock 24 verbunden ist, der das
Einlassventil 12 und das Auslassventil 13 trägt und gleichzeitig
den Förderraum 19 nach
allen Seiten, ausgenommen die Oberseite in 3, begrenzt.
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Diese Oberseite des Förderraums 19 wird begrenzt
von einem Abschlussblock 25, der mit dem Tragblock 24 verschweißt ist.
Im Abschlussblock 25 ist eine Durchgangs-Führungsbohrung 26 ausgeführt, in
dem eine zylindrische Kolbenstange 27 geführt ist.
An ihrem vom Förderraum 19 abgewandten Ende
ist die Kolbenstange 27 in einer entsprechenden Ausnehmung
eines zylindrischen Magnetankers 28 fest aufgenommen. Der
Durchmesser des Magnetankers 28 ist um ein Mehrfaches größer als
derjenige der Kolbenstange 27. Zwischen dem Abschlussblock 25 und
dem Magnetanker 28 stützt
sich eine die Kolbenstange 27 koaxial umgebende Schraubenfeder 29 ab.
Diese drückt
den Magnetanker 28 im stromlosen Ruhezustand gegen einen
oberhalb von diesem befindlichen Anschlagkörper 30. Koaxial um den
Magnetanker 28 herum angeordnet ist eine Ringspule 31.
Der den Magnetanker 28 und die Ringspule 31 umfassende
Magnet ist zur Realisierung eines großen Hubs der Kolbenstange 27 als Proportionalmagnet
ausgeführt.
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Die magnetisch betätigte Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 gemäß 3 funktioniert folgendermaßen:
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Im unbestromten Zustand der Ringspule 31 wird
der Magnetanker 28 über
die Schraubenfeder 29 am oberen Anschlagkörper 30 gehalten.
Beim Bestromen der Ringspule 31 überwindet die auf den Magnetanker 28 hierdurch
nach unten ausgeübte Kraft
die Rückstellkraft
der Schraubenfeder 2y und drückt die Kolbenstange 27 in
den Förderraum 19, wodurch
der sich hierin befindliche Kraftstoff durch das Auslassventil 13 in
Richtung des Rails 5 gefördert wird.
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Das Kraftstoffsystem 1 nach
den 1 und 3 funktioniert folgendermaßen:
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Über
einen in 1 nicht dargestellten
und vom elektronischen Motorsteuergerät erfassten Sensor, der ein Öffnen einer
Zugangstür
zur Brennkraftmaschine, zum Beispiel der Fahrertür eines PKW, registriert, werden
die Vorförderpumpe 3 sowie
die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 eingeschaltet. Alternativ
kann dieses Einschalten auch über
das Registrieren eines drahtlosen Entriegelungssignals für die Zugangstür, zum Beispiel
des Signals eines funkgesteuerten PKW-Schlüssels, durch einen entsprechenden,
mit der Vorförderpumpe 3 und
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 in
Signalverbindung stehenden Empfänger
erfolgen. Auch eine Ansteuerung über
eine Starteinrichtung der Brennkraftmaschine, zum Beispiel über das
Zündschloss
eines PKW, ist möglich.
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In einem Zeitraum, der zwischen dem
Einschalten der Vorförderpumpe 3 und
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 einerseits und dem
eigentlichen Starten der Brennkraftmaschine andererseits liegt,
baut die Hochdruck- Hilfskraftstoffpumpe 10 hohen
Druck im Rail 5 auf. Die Einspritzung durch die Hochdruck-Einspritzventile 15 wird
vom Motorsteuergerät
dann ausgelöst,
wenn der Motor beginnt, sich über
den Anlasser zu drehen und ein vorgegebener Solldruck erreicht ist.
Eine Steuerung des Drucks im Rail 5 kann über eine
entsprechende Steuerung der Hochdruck-Pumpeinrichtung, welche durch
die Baueinheit F gebildet wird, sofern diese einen elektrischen
Eingriff zur Mengensteuerung besitzt, oder auch eine entsprechende
elektrische Ansteuerfrequenz der Ringspule 31 der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 erfolgen.
Die Ansteuerung beider Pumpen 10 erfolgt über das
Motorsteuergerät.
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Während
des Hochlaufens der Brennkraftmaschine, also bei deren ersten Umdrehungen,
ist durch eine Kombination der Förderleistungen
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 einerseits und der
schon Druck aufbauenden Hochdruck-Förderpumpe 7 andererseits
sowie durch das Druckspeichervolumen des Rails 5 gewährleistet,
dass für
die Einspritzungen während
des Anlaufvorgangs hoher Druck im Rail 5 auch dann aufrecht
erhalten werden kann, wenn im Kaltstart bei den ersten Einspritzungen
sehr große
Mengen Kraftstoff eingespritzt werden. Nach dem Erreichen einer
vorgegebenen Drehzahl der Brennkraftmaschine wird die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 abgeschaltet.
Der hohe Druck im Rail 5 wird dann ausschließlich durch die
Hochdruck-Förderpumpe 7 geliefert.
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Zusätzlich zur vorstehenden Betriebsart „Starten" kann bei einer weiteren
Betriebsart „Volllast" des Kraftstoffsystems 1 die
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 zur laufenden Hochdruck-Förderpumpe 7 zugeschaltet
werden, wenn über
einen entsprechenden Sensor registriert wird, dass von der Brennkraftmaschine
eine Leistung oberhalb einer vorgegebenen Leistungsschwelle abgerufen
werden soll. Die Hochdruck- Hilfskraftstoffpumpe 10 bleibt dann
solange zugeschaltet, bis der Leistungsabruf wieder unter die vorgegebene
Leistungsschwelle oder, zum Beispiel zur Verhinderung unerwünschter Förderschwankungen,
unter eine zweite vorgegebene Leistungsschwelle sinkt.
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Nachstehend werden weitere Ausführungsbeispiele
für Kraftstoffsysteme
beschrieben. Bauelemente, die schon im Zusammenhang mit dem Kraftstoffsystem
nach den 1 und 3 beschrieben wurden, tragen
bei diesen weiteren Ausführungsbeispielen
die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals im Einzelnen
erläutert.
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Eine alternative Anordnung der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 in
Kraftstoffsystem 1 zeigt 2.
Dort ist die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 direkt am
Rail 5 angebaut. Der Niederdruckzulauf der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 erfolgt
dabei über
die Rücklaufleitung
eines in 2 schematisch
dargestellten Drucksteuerventils 32, das ebenfalls direkt
am Rail 5 angebaut ist. Weder das Ein- noch das Auslassventil
der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 sind in 2 dargestellt. Ansonsten
entsprechen der Aufbau sowie das Funktionsprinzip des Kraftstoffsystems 1 nach 2 denjenigen, die im Zusammenhang
mit 1 beschrieben wurden.
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Eine weitere Variante eines Kraftstoffsystems 1 ist
in 4 in einer im Vergleich
zu den 1 und 2 detaillierteren Darstellung
gezeigt. Neben dem Kraftstoff-Reservoir 2 ist dort schematisch
eine Tank-Einbau-Einheit 33 dargestellt, die die Vorförderpumpe,
bei der es sich um eine elektrische Kraftstoffpumpe handelt, sowie
eine Druckregelungseinheit umfasst. In der Zulaufleitung 4 ist
bei dem Kraftstoffsystem 1 nach 4 zwischen dem Kraftstoff- Reservoir 2 und
der Baueinheit 6 ein Kraftstofffilter 34 dargestellt.
Zwischen dem Kraftstofffilter 34 und dem Einlass-Verzweigungspunkt 11,
der im Falle der Kraftstoff-Direkteinspritzungsvorrichtung 1 der 4 von einer Druckdämpfereinheit
gebildet ist, mündet
in die Zulaufleitung 4 eine Rücklaufleitung 35 des Drucksteuerventils 32 an
einem Rücklauf-Verzweigungspunkt 36 ein.
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Im Falle der Kraftstoff-Direkteinspritzungsvorrichtung 1 der 4 ist die Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 als
elektrische Förderpumpe
ausgeführt.
Diese umfasst einen Elektromotor 37, der eine Nockenwelle 38 antreibt.
Letztere wird von einem Stößel 39 abgegriffen,
der in bekannter Weise einen Pumpkolben 40 im Förderraum 19 der
Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 antreibt.
In analoger Weise treibt die auch in 4 nicht
dargestellte Brennkraftmaschine eine Nockenwelle 41 der
Hochdruck-Förderpumpe 7 zur
Betätigung
eines Pumpkolbens 42 in einem Förderraum 43 über einen
Stößel 44 an.
Die beiden Stößel 39 und 44 werden über Rückstellfedern 45, 46 in
Anlage an die Nockenwellen 38, 41 gehalten.
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Ebenfalls in 4 dargestellt ist das in den 1 und 2 nicht gezeigte Steuergerät 47,
welches nach Betätigung
eines Sensors 48 den Elektromotor 37 der Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe 10 ansteuert, bis
der über
einen am Rail 5 angeordneten Raildrucksensor 51 erfasste
Druck den Sollwert erreicht hat. Der Raildrucksensor 51 ist
hierzu mit dem Steuergerät 47 über eine
Signalleitung 52 verbunden. Der Sensor 48 dient
dabei der Erfassung eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine,
also zum Beispiel des Öffnens
einer Zugangstür
zum Fahrzeug mit der Brennkraftmaschine oder eines anderen für den Startwunsch
der Brennkraftmaschine repräsentativen
Betriebszustandes, wie oben im Zusammenhang mit den 1 und 3 beschrieben.
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Zusätzlich steuert das Steuergerät 47 über eine
Steuerleitung 49 ein als Magnetventil ausgeführtes Mengensteuerventil 50 an.
Dieses ist zwischen dem als Druckdämpfer ausgeführten Einlass-Verzweigungspunkt 11 und
dem Förderraum 43 der Hochdruck-Förderpumpe 7 angeordnet.
Im Ruhezustand, das heißt
solange keine Ansteuerung durch das Steuergerät 47 erfolgt, ist
das Mengensteuerventil 50 geöffnet und ermöglicht durch
dieses einen Kraftstofffluss vom Förderraum 43 hin zum
Druckdämpfer.
Bei Drehbeginn der Brennkraftmaschine wird über die Steuerleitung 49 das
Mengensteuerventil 50 angesteuert und geschlossen, sodass
die Verbindung zwischen dem Förderraum 43 und
dem Druckdämpfer
gesperrt ist. Die Hochdruck-Förderpumpe 7 kann
dann schnellstmöglich
Druck im Förderraum 43 aufbauen,
der dem Rail 5 zusätzlich
zur Fördermenge
der Zusatzpumpe 10 zur Verfügung gestellt wird. Beim Erreichen
eines vorgegebenen Soll-Drucks wird das Mengensteuerventil 50 vom Steuergerät 47 über die
Steuerleitung 49 nockenwellensynchron taktend so geöffnet, dass
die nicht benötigte
Kraftstoffmenge durch das Mengensteuerventil 50 in den
Druckdämpfer
entweichen kann und der Solldruck gehalten wird.
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Ansonsten entsprechen der Aufbau
sowie das Funktionsprinzip des Kraftstoffsystems 1 nach 4 denjenigen, die schon
in Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben wurden.
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Nun werden die 5 bis 7 im
Detail erläutert.
In 5 trägt ein Kraftfahrzeug
insgesamt das Bezugszeichen 110. Es ist nur schematisch
strichpunktiert als Block dargestellt. Es umfasst ein Kraftstoffsystem 112,
mit dem eine Brennkraftmaschine 114 mit Kraftstoff versorgt
wird.
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Das Kraftstoffsystem 112 umfasst
einen Kraftstoffbehälter 116,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 118 Kraftstoff
fördert.
Die elektrische Kraftstoffpumpe 11d dient als Vorförderpumpe
und fördert
den Kraftstoff zu einer Baueinheit 120, in der eine mechanisch
angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 122 und eine elektrisch
angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 integriert sind.
Letztere dient als Hochdruck-Hilfskraftstoffpumpe. Die Baueinheit 120 umfasst
hierzu für
beide Pumpen 122 und 124 ein gemeinsames Gehäuse, obwohl,
wie weiter unten noch erläutert
werden wird, beide Pumpen 122 und 124 unterschiedliche
Pumpelemente verwenden. Das Gehäuse
ist in 1 nicht separat
dargestellt und wird nachfolgend der Einfachheit halber ebenfalls
mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnet.
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Ein Niederdruckanschluss 128 der
Baueinheit 120 ist über
eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 126 mit der elektrischen
Kraftstoffpumpe 118 verbunden. Stromabwärts vom Niederdruckanschluss 128 ist
in der Baueinheit 120 zunächst ein Druckdämpfer 130 angeordnet.
Dessen Arbeitsraum 132 ist über ein Einlassventil 134 mit
einer Fördereinheit 136 der
mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 122 verbunden.
Die Fördereinheit 136 kann
beispielsweise einen Förderraum
umfassen, der von einem hin- und herbewegbaren Kolben (nicht dargestellt)
begrenzt wird. Die Fördereinheit 136 wird über eine
mechanische Verbindung 138, im Falle einer Kolbenpumpe
beispielsweise über
einen Stößel mit einer
Exzenterwelle, von einem mechanischen Antrieb 140, beispielsweise
einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine 114, angetrieben.
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Über
ein Auslassventil 139 und einen Hochdruckanschluss 141 ist
die Fördereinheit 136 der
mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 122 mit
einer Kraftstoff- Sammelleitung 142 verbunden.
Von dieser führt
eine Rückführleitung
(ohne Bezugszeichen) unter Zwischenschaltung eines Druckbegrenzungsventils 143 zur
Niederdruck-Kraftstoffleitung 126 zurück. An die Kraftstoff-Sammelleitung 142 sind
mehrere Injektoren 144 angeschlossen, die den Kraftstoff
direkt in Brennräume 146 der
Brennkraftmaschine 114 einspritzen. Dabei ist jedem Brennraum 146 ein
eigener Injektor 144 zugeordnet.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 114 wird eine
Kurbelwelle 145 in Drehung gesetzt. Deren Winkelposition
und Drehzahl wird von einem Sensor 147 abgegriffen.
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Die elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124,
welche in die Baueinheit 120 integriert ist, verfügt ebenfalls über ein
Einlassventil 148, über
welches eine Fördereinheit 150 der elektrisch
angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 mit
dem Arbeitsraum 132 des Druckdämpfers 130 verbunden
werden kann. Auch die Fördereinheit 150 der
elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 kann einen
Förderraum
(nicht dargestellt) umfassen, welcher von einem Kolben (nicht dargestellt)
begrenzt wird.
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Die Fördereinheit 150 wird über eine
mechanische Verbindung 152 von einem Elektromotor 154 angetrieben.
Anstelle eines Elektromotors 154 ist auch beispielsweise
ein elektromagnetischer Schaltantrieb denkbar, mit dem der Pumpenkolben
in eine Hin- und Herbewegung versetzt wird. Die Fördereinheit 150 ist über ein
Auslassventil 156 ebenfalls mit dem Hochdruckanschluss 141 der
Baueinheit 120 verbunden. Die elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 fördert also
ebenfalls in die Kraftstoff-Sammelleitung 142.
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Der Elektromotor 154 wird
von einem Steuer- und Regelgerät 158 angesteuert,
welches mit verschiedenen Sensoren, beispielsweise dem Sensor 147,
verbunden ist, und welches den Betrieb des Kraftstoffsystems 112 und
der Brennkraftmaschine 114 steuert bzw. regelt. Zur Steuerung
des Elektromotors 154 der elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 ist
das Steuer- und Regelgerät 158 mit
einem Schalter 160 verbunden, der wiederum durch die Bewegung
einer Türe 162 des Kraftfahrzeugs 110 geschaltet
wird. Möglich
ist auch, dass der Schalter 160 durch ein berührungsloses
Zugangssystem des Kraftfahrzeugs 110 betätigt bzw. geschaltet
wird. Derartige Systeme sind beispielsweise unter der Bezeichnung "Keyless-System" bekannt.
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Bezüglich der Baueinheit 120 sei
darauf hingewiesen, dass trotz "optisch
gleicher" Darstellung
in 1 die elektrisch
angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 erheblich kleiner
baut als die mechanisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 122, da
ihre Förderleistung
erheblich kleiner ist. Auch genügt
zum Antrieb der Fördereinheit 150 der
elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 ein sehr
klein bauender Elektromotor 154.
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Das Kraftfahrzeug 110 mit
dem Kraftstoffsystem 112 und der Brennkraftmaschine 114 arbeitet
folgendermaßen
(vgl. auch 2 und 3): Wird die Türe 162 zum
Zeitpunkt t0 (2)
geöffnet,
wird hierdurch der Schalter 160 betätigt, was dem Steuer- und Regelgerät 158 angezeigt
wird. Dieses setzt bei stehendem Kraftfahrzeug 110 und
ausgeschalteter Brennkraftmaschine 114 daraufhin die als
Vorförderpumpe wirkende
elektrische Kraftstoffpumpe 118 sowie den Elektromotor 154 der elektrisch
angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 in Gang (Balken 164 in 7). Somit wird Kraftstoff
aus dem Kraftstoffbehälter 116 über die
elektrische Kraftstoffpumpe 118 vorverdichtet (üblicherweise
auf ungefähr
4 bis 8 bar) und über
den Druckdämpfer 130 zur
elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 gefördert.
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Durch diese wird der Kraftstoff weiter
komprimiert und in die Kraftstoff-Sammelleitung 142 gefördert. In
dieses wird der Kraftstoff unter sehr hohem Druck gespeichert. Wie
oben ausgeführt
worden ist, verfügt
die elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 nur über eine
kleine Förderleistung, wodurch
sie sehr klein baut. Aufgrund der zur Verfügung stehenden Zeit zwischen
der Betätigung
des Schalters 160 und dem Anlassen der Brennkraftmaschine 114 (meist
einige Sekunden) reicht die Förderleistung
der elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 jedoch
aus, um in der Kraftstoff-Sammelleitung 142 einen gewünschten Kraftstoff-Hochdruck
(gegebenenfalls bis einige hundert bar) zu erzeugen (vgl. 7).
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Ein solcher Kraftstoff-Hochdruck
wird gewünscht,
um auch bei den ersten Einspritzungen von Kraftstoff durch die Injektoren 144 in
die Brennräume 146 der
Brennkraftmaschine 114 eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes zu erreichen.
Hierdurch wird auch bei den ersten Verbrennungen von Kraftstoff
in den Brennräumen 146 ein
gutes Emissions- und Verbrauchsverhalten der Brennkraftmaschine 114 erzielt.
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Das Druckspeichervolumen der Kraftstoff-Sammelleitung 142 ist
dabei so gewählt,
dass trotz der geringen Förderleistung
der elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 oder selbst
bei bereits wieder ausgeschalteter Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 sichergestellt
ist, dass die für
einen Start der Brennkraftmaschine, auch bei Kaltstartbedingungen,
erforderliche Kraftstoffmenge bei einem ausreichenden Druck in die
Brennräume 146 der
Brennkraftmaschine 114 eingebracht werden kann.
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Die Position der Kurbelwelle 145 wird über den
Sensor 147 während
des Anlassvorgangs der Brennkraftmaschine 114 dem Steuer-
und Regelgerät 158 mitgeteilt.
Nach zwei vollen Umdrehungen der Kurbelwelle 145 (Balken 166 in 2) wird der Elektromotor 154 der
elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 vom
Steuer- und Regelgerät 158 ausgeschaltet
(Zeitpunkt t1 in 6). Zum einen kann ab diesem Zeitpunkt
davon ausgegangen werden, dass die Brennkraftmaschine 114 angesprungen
ist, und zum anderen kann ab diesem Zeitpunkt auch davon ausgegangen
werden, dass die Förderleistung
der mechanisch von der Nockenwelle 140 der Brennkraftmaschine 114 angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 122 ausreicht,
um den für
den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine 114 erforderlichen
Kraftstoff-Hochdruck in der Kraftstoff-Sammelleitung 142 bereitzustellen.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Einspritzung von Kraftstoff mittels der
Injektoren 144 ausgelöst.
Der Kraftstoffdruck kann auch durch eine entsprechende Einstellung
einer Ansteuerfrequenz des Elektromotors 154 eingestellt
werden.
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Wenn im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 114 eine
sehr hohe Leistung gefordert ist, wird der Elektromotor 154 vom
Steuer- und Regelgerät 158 wieder
eingeschaltet, so dass Kraftstoff nicht nur von der mechanisch angetriebenen
Hochdruck-Kraftstoffpumpe 122, sondern zusätzlich auch von
der elektrisch angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 in
die Kraftstoff-Sammelleitung 142 gefördert wird. Hierdurch wird
auch bei einer hohen Last sichergestellt, dass der Druck in der
Kraftstoff-Sammelleitung 142 ausreichend hoch bleibt.
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Durch die Integration der mechanisch
angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 122 und der elektrisch
angetriebenen Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 in eine Baueinheit 120 mit
einem gemeinsamen Gehäuse 120 kann
diese Baueinheit 120 einfach in die Brennkraftmaschine 114 eingebaut
werden. Die Baueinheit 120 fördert nur über zwei Anschlüsse, nämlich den
Niederdruckanschluss 128 und den Hochdruckanschluss 141.
Dadurch, dass die elektrisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe 124 nur
eine geringe Förderleistung
aufweist und vergleichsweise klein baut, baut auch die Baueinheit 120 vergleichsweise
klein.