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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf ein Brennstoffsystem gerichtet und
insbesondere auf ein Brennstoffsystem mit mehreren Quellen für
unter Druck gesetzten Brennstoff zum Vorsehen von Einspritzereignissen
mit variablem Druck.
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Hintergrund
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Common-Rail-Brennstoffsysteme
sehen einen Weg zur Einleitung von Brennstoff in die Brennkammern
eines Motors vor. Typische Common-Rail-Brennstoffsysteme weisen
eine Einspritzvorrichtung mit einem Betätigungselektromagneten auf,
der eine Brennstoffdüse öffnet, wenn der Elektromagnet
erregt wird. Brennstoff wird dann in die Brennkammer als eine Funktion
der Zeitperiode, während der der Elektromagnet erregt bleibt,
und des Druckes des Brennstoffs eingespritzt, der zur Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüse
während dieser Zeitperiode geliefert wird.
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Um
die Motorleistung und die Abgasemissionen zu optimieren, können
Motorhersteller den Druck des Brennstoffes variieren, der zur Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüse
geliefert wird. Ein solches Beispiel wird in der
US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
2004/0168673 (der '673-Veröffentlichung) von Shinogle
beschrieben, die am 2. September 2004 veröffentlicht wurde.
Die '673-Veröffentlichung beschreibt ein Brennstoffsystem
mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die strömungsmittelmäßig
mit einer ersten Common-Rail bzw. gemeinsamen Druckleitung zu verbinden
ist, die eine Brennstoffversorgung bzw. einen Brennstoffvorrat enthält, und
eine zweite Common-Rail, die eine Betätigungsströmungsmittelversorgung
enthält. Jede Brennstoffeinspritzvorrichtung des '673-Patentes
ist mit einem Verstärkerkolben ausgerüstet, der
durch das Betätigungsströmungsmittel bewegbar
ist, um den Druck des Brennstoffes zu steigern. Durch strömungsmittelmäßige
Verbindung der Brennstoffeinspritzvorrichtung mit der ers ten Common-Rail
kann Brennstoff mit einem ersten Druck eingespritzt werden. Durch
strömungsmittelmäßige Verbindung der
Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den ersten und zweiten Common-Rails
kann Brennstoff mit einem zweiten Druck eingespritzt werden, der
höher ist als der erste Druck.
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Obwohl
das Brennstoffeinspritzsystem der '673-Veröffentlichung
adäquat Brennstoff zu einem Motor mit unterschiedlichen
Drücken liefern kann, kann es jedoch Einschränkungen
haben. Insbesondere weil der zweite Druck durch Verstärkung
des ersten Druckes erreicht wird, ist der zweite Druck abhängig
vom ersten Druck. Diese Abhängigkeit kann die Fähigkeit
beschränken, die Rate der Brennstoffeinspritzungen mit
dem System der '673-Veröffentlichung zu formen. Zusätzlich
kann die Verstärkerkomponente in jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung
die Komplexität der Brennstoffeinspritzvorrichtung und die
assoziierten Gesamtsystemkosten steigern.
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Das
Brennstoffsystem der vorliegenden Offenbarung löst ein
oder mehrere der oben dargelegten Probleme.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Brennstoffsystem
für einen Motor mit mindestens einer Brennkammer gerichtet.
Das Brennstoffsystem weist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, eine
erste Brennstoffquelle mit einem ersten Druck, eine zweite Brennstoffquelle
mit einem zweiten Druck und eine Drucksteuervorrichtung auf. Die
Drucksteuervorrichtung ist zwischen der Brennstoffeinspritzvorrichtung
und den ersten und zweiten Quellen angeordnet. Die Drucksteuervorrichtung
ist konfiguriert, um selektiv den Brennstoff mit dem ersten Druck
und den Brennstoff mit dem zweiten Druck zur Brennstoffeinspritzvorrichtung
zur Einspritzung in die mindestens eine Brennkammer zu leiten.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Verfahren
zur Einspritzung von Brennstoff in eine Brennkammer eines Motors
gerichtet. Das Verfahren weist auf, Brennstoff auf einen ersten
Druck unter Druck zu setzen und Brenn stoff auf einen zweiten Druck
unter Druck zu setzen. Das Verfahren weist auch auf, selektiv Brennstoff
mit dem ersten Druck und Brennstoff mit dem zweiten Druck zu einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Einspritzung in die Brennkammer
zu leiten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische und diagrammartige Veranschaulichung eines beispielhaften
offenbarten Motors;
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2 ist
eine schematische und quergeschnittene Darstellung eines beispielhaften
offenbarten Brennstoffsystems für den Motor der 1;
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3 ist
eine schematische und quergeschnittene Veranschaulichung eines weiteren
beispielhaften offenbarten Brennstoffsystems für den Motor
der 1; und
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4 ist
eine Kurvendarstellung, die einen beispielhaften Betrieb der Brennstoffsysteme
der 2 und 3 abbildet.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht
eine Arbeitsmaschine 5 mit einem Motor 10 und
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel eines Brennstoffsystems 12.
Die Arbeitsmaschine 5 kann eine feste oder eine mobile Maschine
sein, die eine gewissen Art eines Betriebs ausführt, der
mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise mit
Bergbau, Bau, Ackerbau, Leistungserzeugung, Transport oder irgendeinem anderen
in der Technik bekannten Industriezweig. Beispielsweise kann die
Arbeitsmaschine 5 eine Erdbewegungsmaschine, einen Generatorsatz,
eine Pumpe oder irgendeine andere einen Betrieb ausführende
Arbeitsmaschine verkörpern.
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Für
die Zwecke dieser Offenbarung ist der Motor 10 als ein
Viertakt-Dieselmotor abgebildet und wird als solcher beschrieben.
Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Motor 10 irgendeine
andere Bauart eines Verbrennungsmotors verkörpern kann, wie
beispielsweise einen mit Benzin oder gasförmigem Brennstoff
angetriebenen Motor. Der Motor 10 kann einen Motorblock 14 aufweisen,
der eine Vielzahl von Zylindern 16, einen Kolben 18,
der verschiebbar innerhalb jedes Zylinders 16 angeordnet ist,
und einen Zylinderkopf 20 definiert, der mit jedem Zylinder 16 assoziiert
ist.
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Der
Zylinder 16, der Kolben 18 und der Zylinderkopf 20 können
eine Brennkammer 22 bilden. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
weist der Motor 10 sechs Brennkammern 22 auf.
Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass der Motor 10 eine größere
oder eine geringere Anzahl von Brennkammern 22 aufweisen
kann, und dass die Brennkammern 22 in einer „Reihenkonfiguration",
in einer „V-Konfiguration" oder in irgendeiner anderen
geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
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Wie
ebenfalls in 1 veranschaulicht, kann der
Motor 10 eine Kurbelwelle 24 aufweisen, die drehbar
innerhalb des Motorblocks 14 angeordnet ist. Eine Verbindungsstange
bzw. Pleuelstange 26 kann jeden Kolben 18 mit
der Kurbelwelle 24 verbinden, sodass eine Gleitbewegung
des Kolbens 18 innerhalb jedes jeweiligen Zylinders 16 eine
Drehung der Kurbelwelle 24 zur Folge hat. In ähnlicher
Weise kann eine Drehung der Kurbelwelle 24 eine Gleitbewegung
des Kolbens 18 zur Folge haben.
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Das
Brennstoffsystem 12 kann Komponenten aufweisen, die zusammenarbeiten,
um Einspritzungen von unter Druck gesetztem Brennstoff in jede Brennkammer 22 zu
liefern. Insbesondere kann das Brennstoffsystem 12 einen
Tank 28 aufweisen, der konfiguriert ist, um eine Brennstoffversorgung
bzw. einen Brennstoffvorrat zu enthalten, und eine Brennstoffpumpanordnung 30,
die konfiguriert ist, um den Brennstoff unter Druck zu setzen und
einen oder mehrere Ströme von unter Druck gesetztem Brennstoff
zu einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 32 zu
leiten. Eine Brennstofftransferpumpe 36 kann innerhalb
einer Brennstoffleitung 40 zwischen dem Tank 28 und
der Brennstoffpumpanordnung 30 angeordnet sein und konfiguriert
sein, um eine Niederdruckeinspeisung zur Brennstoffpumpanordnung 30 vorzusehen.
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Die
Brennstoffpumpanordnung 30 kann eine mechanisch angetrieben
elektronisch gesteuerte Einspritzeinheitspumpe mit einem ersten
Pumpmechanismus 30a und eine zweiten Pumpmechanismus 30b verkörpern.
Jeder der ersten und zweiten Pumpmechanismen 30a, b kann
betriebsmäßig mit einer Pumpenantriebswelle 46 durch
(nicht gezeigte) drehbare Nocken verbunden sein. Die Nocken können geeignet
sein, um (nicht gezeigte) Kolbenelemente der ersten und zweiten
Pumpmechanismen 30a, b über einen Kompressionshub
anzutreiben, um Brennstoff unter Druck zu setzen. (Nicht gezeigte) Stößel,
die mit den ersten und zweiten Pumpmechanismen 30a, b assoziiert
sind, können zu variablen Zeitpunkten geschlossen werden,
um die Länge des Kompressionshubes zu verändern,
und um dadurch die Flussrate der ersten und zweiten Pumpmechanismen 30a,
b zu verändern. Alternativ können die ersten und
zweiten Pumpmechanismen 30a, b eine drehbare Taumelplatte
oder irgendwelche anderen in der Technik bekannten Mittel aufweisen,
um die Flussrate des unter Druck gesetzten Brennstoffes zu variieren.
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Die
ersten und zweiten Pumpmechanismen 30a, b können
geeignet sein, um getrennte Flüsse von unter Druck gesetztem
Brennstoff zu erzeugen. Beispielsweise kann der erste Pumpmechanismus 30a einen
ersten Fluss von unter Druck gesetztem Brennstoff erzeugen, der
zu einer ersten Common-Rail bzw. gemeinsamen Druckleitung 34 über eine
erste Brennstoffversorgungsleitung 42 geleitet wird. Der
zweite Pumpmechanismus 30b kann einen zweiten Fluss von
unter Druck gesetztem Brennstoff erzeugen, der zu einer zweiten
Common-Rail 37 durch eine zweite Brennstoffversorgungsleitung 43 geleitet
wird. In einem Beispiel kann der erste Fluss von unter Druck gesetztem
Brennstoff einen Druck von ungefähr 100 MPa haben, während
der zweite Fluss von unter Druck gesetztem Brennstoff einen Druck
von ungefähr 200 MPa haben kann. Ein erstes Rückschlagventil 44 kann
in der ersten Brennstoffversorgungsleitung 42 angeordnet
sein, um einen Brennstofffluss in einer Richtung von dem ersten Pumpmechanismus 30a zur
ersten Common-Rail 34 vorzusehen. Ein zweites Rückschlagventil 45 kann
in der zweiten Brennstoffversorgungsleitung 43 angeordnet
sein, um einen Brennstofffluss in einer Richtung vom zweiten Pumpmechanismus 30b zur
zweiten Common-Rail 37 vorzusehen.
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Die
Brennstoffpumpanordnung 30 kann betriebsmäßig
mit dem Motor 10 verbunden sein und durch die Kurbelwelle 24 angetrieben
werden. Beispielsweise ist die Pumpenantriebswelle 46 der Brennstoffpumpanordnung 30 in 1 derart
gezeigt, dass sie mit der Kurbelwelle 24 durch einen Getriebestrang 48 verbunden
ist. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass einer oder beide der
ersten und zweiten Pumpmechanismen 30a, b alternativ elektrisch,
hydraulisch, pneumatisch oder in irgendeiner anderen geeigneten
Weise angetrieben werden kann.
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Die
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 32 können innerhalb
der Zylinderköpfe 20 angeordnet sein und mit den
ersten und zweiten Common-Rails 34, 37 über
eine Vielzahl von Brennstoffleitungen 50 verbunden sein.
Jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 kann betreibbar
sein, um eine Menge von unter Druck gesetztem Brennstoff in eine
assoziierte Brennkammer 22 zu vorbestimmten Zeitpunkten,
mit vorbestimmten Brennstoffdrücken und vorbestimmten Brennstoffflussraten
einzuspritzen. Die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung in die
Brennkammer 22 kann mit der Bewegung des Kolbens 18 synchronisiert
sein. Beispielsweise kann Brennstoff eingespritzt werden, wenn sich
der Kolben 18 der oberen Totpunktposition (TDC = top dead
center) in einem Kompressionshub nähert, um eine durch
Kompression gezündete Verbrennung des eingespritzten Brennstoffes
zu gestatten. Alternativ kann Brennstoff eingespritzt werden, wenn
der Kolben 18 den Kompressionshub beginnt, wobei er sich
zu einer oberen Totpunktposition hin bewegt, und zwar für
einen HCCI-Betrieb (HCCI = homogeneous charge compression ignition
= homogene kompressionsgezündete Ladung). Der Brennstoff
kann auch eingespritzt werden, wenn sich der Kolben 18 von
einer oberen Totpunktposition zu einer unteren Totpunktposition
während eines Expansionshubes bewegt, und zwar für
eine späte Nacheinspritzung zur Erzeugung einer reduzierenden
Atmosphäre für eine Nachbehandlungsregeneration.
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Wie
in 2 veranschaulicht, kann jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 eine
Brennstoffeinspritzeinheit mit geschlossener Düse verkörpern.
Insbesondere kann jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 einen
Einspritzvorrichtungskörper 52 aufweisen, der
eine Führung 54, ein Düsenglied 56,
ein Nadelventilelement 58, eine erste Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 und
eine zweite Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 62 aufnimmt.
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Der
Einspritzvorrichtungskörper 52 kann ein im Allgemeinen
zylindrisches Glied sein, welches zur Montage innerhalb des Zylinderkopfes 20 konfiguriert ist.
Der Einspritzvorrichtungskörper 52 kann eine mittige
Bohrung 64 zur Aufnahme der Führung 54 und des
Düsengliedes 56 haben, und eine Öffnung 66, durch
die ein Spitzenende 68 des Düsengliedes 56 vorstehen
kann. Ein Dichtungsglied, wie beispielsweise ein (nicht gezeigter)
O-Ring, kann zwischen der Führung 54 und dem Düsenglied 56 angeordnet sein,
um die Brennstoffleckage aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 einzuschränken.
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Die
Führung 54 kann auch ein im Allgemeinen zylindrisches
Glied mit einer mittigen Bohrung 70 sein, die konfiguriert
ist, um das Nadelventilelement 58 aufzunehmen, und mit
einer Steuerkammer 72. Die mittige Bohrung 70 kann
als eine Druckkammer dienen, die unter Druck gesetzten Brennstoff
enthält, der kontinuierlich durch einen Brennstoffversorgungsdurchlassweg 74 geliefert
wird. Während der Einspritzung kann der unter Druck gesetzte
Brennstoff von der Brennstoffleitung 50 durch den Brennstoffversorgungsdurchlassweg 74 und
die mittige Bohrung 70 zum Spitzenende 68 des
Düsengliedes 56 fließen.
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Aus
der Steuerkammer 72 kann selektiv unter Druck gesetzter
Brennstoff abgelassen werden oder er kann dorthin geliefert werden,
um die Bewegung des Nadelventilelementes 58 zu steuern.
Insbesondere kann ein Steuerdurchlassweg 76 strömungsmittelmäßig
einen Anschluss 78, der mit der Steuerkammer 72 assoziiert
ist, und eine erste Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 verbinden.
Der Anschluss 78 kann in einer Seitenwand der Steuerkammer 72 angeordnet
sein, die radial relativ zur axialen Bewegung des Nadelventilelementes 58 orientiert
ist, oder alternativ innerhalb eines axialen Endteils der Steuerkammer 72.
Die Steuerkammer 72 kann kontinuierlich mit unter Druck
gesetztem Brennstoff über einen eingeschränkten
Versorgungsdurchlassweg 80 beliefert werden, der in Verbindung
mit dem Brennstoffversorgungsdurchlassweg 74 ist. Die Einschränkung
bzw. Drosselung des Versorgungsdurchlassweges 80 kann einen
Druckabfall innerhalb der Steuerkammer 72 gestatten, wenn
unter Druck gesetzter Brennstoff aus dem Steuerdurchlassweg 76 abgelassen
wird.
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Das
Düsenglied 56 kann genauso ein im Allgemeinen
zylindrisches Glied mit einer mittigen Bohrung 82 verkörpern,
die konfiguriert ist, um das Nadelventilelement 58 aufzunehmen.
Das Düsenglied 56 kann weiter eine oder mehrere
Zumessöffnungen 84 aufweisen, um die Einspritzung
von unter Druck gesetztem Brennstoff aus der mittigen Bohrung 82 in die
Brennkammern 22 des Motors 10 zu gestatten.
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Das
Nadelventilelement 58 kann ein im Allgemeinen langgestrecktes
zylindrisches Glied sein, welches verschiebbar innerhalb der Gehäuseführung 54 und
des Düsengliedes 56 angeordnet ist. Das Nadelventilelement 58 kann
axial zwischen einer ersten Position, in der ein Spitzenende 86 des
Nadelventilelementes 58 einen Brennstofffluss durch die
Zumessöffnungen 84 blockiert, und einer zweiten
Position bewegbar sein, in der die Zumessöffnungen 84 offen sind,
um einen Fluss von unter Druck gesetztem Brennstoff in die Brennkammer 22 zu
gestatten.
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Das
Nadelventilelement 58 kann normalerweise zur ersten Position
hin vorgespannt sein. Insbesondere kann jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 eine
Feder 88 aufweisen, die zwischen einem Anschlag 90 der
Führung 54 und einer Sitzfläche 92 des Nadelventilelementes 58 angeordnet
ist, um axial das Spitzenende 86 zur Zumessöffnungsblockierungsposition
hin vorzuspannen. Ein erster Abstandshalter 94 kann zwischen
der Feder 88 und dem Anschlag 90 angeordnet sein,
und ein zweiter Abstandshalter 96 kann zwischen der Feder 88 und der
Sitzfläche 92 angeordnet sein, um die Abnutzung der
Komponenten in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 zu
verringern.
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Das
Nadelventilelement 58 kann mehrere hydraulische Antriebsflächen
haben. Insbesondere kann das Nadelventilelement 58 eine
hydraulische Oberfläche 98 aufweisen, die dazu
tendiert, das Nadelventilelement 58 zu der ersten Position
oder Zumessöffnungsblockierungsposition hin zu treiben, wenn
unter Druck gesetzter Brennstoff darauf wirkt, und eine hydraulische
Oberfläche 100, die dazu tendiert, der Vorspannung
der Feder 88 entgegen zu wirken und das Nadelventil element 58 in
der entgegengesetzten Richtung zur zweiten Position oder Zumessöffnungsöffnungsposition
hin zu treiben.
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Die
erste Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 kann
am gegenüberliegenden Spitzenende 86 des Nadelventilelementes 58 angeordnet
sein, um die Öffnungsbewegung des Nadelventilelementes 58 zu
steuern. Insbesondere kann die erste Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 ein
Zwei-Positionen-Ventilelement aufweisen, welches zwischen der Steuerkammer 72 und
dem Tank 28 angeordnet ist. Das Ventilelement kann zu einer
geschlossenen Position hin federvorgespannt sein, die einen Strömungsmittelfluss
von der Steuerkammer 72 zum Tank 28 blockiert,
und kann zu einer offenen Position hin durch einen Elektromagnet
betätigt werden, in der gestattet wird, dass Brennstoff
aus der Steuerkammer 72 zum Tank 28 fließen
kann. Das Ventilelement kann zwischen den geschlossenen und offenen
Positionen ansprechend auf einen elektrischen Strom bewegbar sein,
der an eine Spule angelegt wird, die mit der ersten Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 assoziiert
ist. Es wird in Betracht gezogen, dass das Ventilelement alternativ
hydraulisch betätigt, mechanisch betätigt, pneumatisch
betätigt oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt
sein kann. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass das Ventilelement
alternativ eine proportionale Bauart eines Ventilelementes verkörpern
kann, welches zu irgendeiner Position zwischen den geschlossenen
und offenen Positionen bewegbar ist.
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Die
zweite Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 62 kann
auch ein Zwei-Positionen-Ventilelement aufweisen, welches zwischen
der ersten Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 und
dem Tank 28 angeordnet ist, um eine Verschlussbewegung
des Nadelventilelementes 58 zu steuern. Das Ventilelement
kann zu einer offenen Position hin federvorgespannt sein, in der
Brennstoff zum Tank 28 fließen kann, und kann
zu einer geschlossenen Position hin durch einen Elektromagnet betätigt
werden, die einen Strömungsmittelfluss zum Tank 28 blockiert.
Das Ventilelement kann zwischen den offenen und geschlossenen Positionen
ansprechend auf einen elektrischen Strom bewegbar sein, der an eine
Spule angelegt wird, die mit der zweiten Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 62 assoziiert
ist. Es wird in Betracht gezogen, dass das Ventilelement alternativ
hydraulisch betätigt, mechanisch betätigt, pneumatisch
betätigt oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt
wird. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass das Ventilelement
alternativ ein Drei-Positionen-Ventilelement verkörpern
kann, wobei Flüsse von unter Druck gesetztem Brennstoff
in zwei Richtungen erleichtert werden.
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Wie
ebenfalls in 2 veranschaulicht, kann eine
Drucksteuervorrichtung 102 mit jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 assoziiert
sein. Insbesondere kann die Drucksteuervorrichtung 102 eine
Betätigungsvorrichtung 104 aufweisen, die betriebsmäßig mit
einem Ventilelement 106 verbunden ist. Das Ventilelement 106 kann
zwischen den ersten und zweiten Common-Rails 34, 37 und
der Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 angeordnet sein und
kann durch die Betätigungsvorrichtung 104 bewegbar
sein, um selektiv die ersten und zweiten Flüsse von unter
Druck gesetztem Brennstoff zu kombinieren.
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Die
Betätigungsvorrichtung 104 kann einen piezoelektrischen
Mechanismus verkörpern, der ein oder mehrere Säulen
aus piezoelektrischen Kristallen hat. Piezoelektrische Kristalle
sind Strukturen mit zufälliger Domänenorientierung.
Diese zufälligen Orientierungen sind asymmetrische Anordnungen
von positiven und negativen Ionen, die ein Verhalten eines permanenten
Dipols zeigen. Wenn ein elektrisches Feld an die Kristalle angelegt
wird, wie beispielsweise durch das Anlegen eines Stroms, dehnen
sich die piezoelektrischen Kristalle entlang einer Achse des elektrischen
Feldes aus, wenn sich die Domänen aufreihen. Es wird in
Betracht gezogen, dass die Betätigungsvorrichtung 104 einen
Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 sein kann oder
eine getrennte alleinstehende Komponente, die mit einer oder mehreren
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 32 assoziiert ist.
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Die
Betätigungsvorrichtung 104 kann angeschlossen
sein, um mechanisch die Bewegung des Ventilelementes 106 zu
steuern. Wenn ein Strom an die piezoelektrischen Kristalle der Betätigungsvorrichtung 104 angelegt
wird, kann sich beispielsweise die Betätigungsvorrichtung 104 ausdehnen,
um das Ventilelement 106 zu bewegen, um den Druck des Strömungsmittels
zu steigern, der in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 fließt.
Wenn im Gegensatz dazu der Strom von den piezoelektrischen Kristallen der
Betätigungsvorrichtung 104 weggenommen wird, kann
die Betätigungsvorrichtung 104 sich zusammenziehen,
um das Ventilelement 106 zu bewegen, um den Druck des Brennstoffes
zu reduzieren, der in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 fließt.
Es wird in Betracht gezogen, dass die piezoelektrischen Kristalle
der Betätigungsvorrichtung 104 weggelassen werden
können, falls erwünscht, und dass die Bewegung des
Ventilelementes 106 in irgendeiner anderen geeigneten Weise
gesteuert wird.
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Das
Ventilelement 106 kann ein Proportionalventilelement oder
irgendeine andere geeignete Vorrichtung verkörpern, die
durch die Betätigungsvorrichtung 104 bewegbar
ist, um selektiv die ersten und zweiten Flüsse von unter
Druck gesetztem Brennstoff von den ersten und zweiten Common-Rails 34, 37 zu
kombinieren, die zur mittigen Bohrung 82 des Düsengliedes 56 geleitet
werden. Insbesondere kann das Ventilelement 10 zwischen einer
ersten Position, in der nur der erste Strom von unter Druck gesetztem
Brennstoff zur mittigen Bohrung 82 geleitet wird, und einer
zweiten Position bewegbar sein, in der nur der zweite Strom von
unter Druck gesetztem Brennstoff zur mittigen Bohrung 82 geleitet
wird. Das Ventilelement 106 kann auch zu irgendeiner Position
zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um einen
Teil der ersten und zweiten unter Druck gesetzten Brennstoffflüsse zur
mittigen Bohrung 82 zu leiten. Die Größe
und das Verhältnis der ersten und zweiten Flüsse,
die durch das Ventilelement 106 zur mittigen Bohrung 82 geleitet
werden, können abhängig von dem Strom sein, der
an die piezoelektrischen Kristalle der Betätigungsvorrichtung 104 angelegt
wird und können den Druck des Brennstoffes beeinflussen,
der zur mittigen Bohrung 82 geliefert wird. Diese Kombination von
unter Druck gesetztem Brennstoff kann einen variablen Druck des
Brennstoffes innerhalb der mittigen Bohrung 82 gestatten,
was eine variable Einspritzrate des Brennstoffes durch die Zumessöffnungen 84 und
eine variable Eindringungstiefe in die Brennkammer 22 zur
Folge hat.
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3 veranschaulicht
ein alternatives Ausführungsbeispiel des Brennstoffsystems 12 der 2. Ähnlich
wie bei dem Brennstoffsystem 12 der 2 weist
das Brennstoffsystem 12 der 3 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 auf,
die kombinierbare Flüssen von unter Druck gesetztem Brennstoff von
den ersten und zweiten Common-Rails 34 und 37 über
die Brennstoffleitungen 50 und die Betätigungsvorrichtung 104 aufnimmt.
Im Gegensatz zu dem einzelnen Ventilelement 106 der in 2 abgebildeten
Betätigungsvorrichtung 104 weist jedoch die Betätigungsvorrichtung 104 der 3 zwei
getrennte Ventilelemente 108 und 110 auf.
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Während
eines Einspritzereignisses, wenn die ersten und zweiten Flüsse
von unter Druck gesetztem Brennstoff über das Ventilelement 106 kombiniert
bzw. zusammengeleitet werden (siehe 2) ist es
möglich, dass der Brennstoff mit höherem Druck
aus der zweiten Common-Rail 37 in umgekehrter Richtung
in die erste Common-Rail 34 fließt. Dieser Rückfluss
kann die Effizienz des Brennstoffsystems 12 verringern.
Um die Effizienz des Brennstoffsystems 12 zu verbessern,
kann die Betätigungsvorrichtung 104 der 3 getrennte
Ventilelemente 108 und 110 einrichten.
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Ähnlich
wie das Ventilelement 106 kann das Ventilelement 108 ein
Proportionalventilelement oder eine andere geeignete Vorrichtung
verkörpern, die durch die Betätigungsvorrichtung 104 bewegbar
ist. Das Ventilelement 108 kann zwischen einer ersten Position,
in der unter Druck gesetzter Brennstoff von der zweiten Common-Rail 37 von
der Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 abgeblockt wird,
und einer zweiten Position bewegbar sein, in der eine maximale Brennstoffmenge
von der zweiten Common-Rail 37 zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 geleitet
wird. Das Ventilelement 108 kann auch zu irgendeiner Position
zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um einen
Teil des zweiten Flusses von unter Druck gesetztem Brennstoff zur
Brennstoffeinspritzvorrichtung 2 zu leiten. Die Menge des zweiten
Flusses von unter Druck gesetztem Brennstoff von der zweiten Common-Rail 37,
die durch das Ventilelement 108 zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 geleitet
wird, kann dem Strom entsprechen, der an die piezoelektrischen Kristalle
der Betätigungsvorrichtung 104 angelegt wird.
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Im
Gegensatz zum Ventilelement 108 kann das Ventilelement 110 ein
elektromagnetbetätigtes Zwei-Positionen-Ventilelement verkörpern.
Das Ventilelement 110 kann von einer ersten Position, in
der im Wesentlichen kein unter Druck gesetzter Brennstoff von der
ersten Common-Rail 34 zur mittigen Bohrung 82 gelei tet
wird, zu einer zweiten Position bewegbar sein, in der eine maximale
Brennstoffmenge von der ersten Common-Rail 34 zur Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 geleitet
wird. Die Ventilelemente 108 und 110 können
separat oder gleichzeitig betrieben werden, um unabhängig
unter Druck gesetzten Brennstoff von entweder der ersten Common-Rail 34,
der zweiten Common-Rail 37 oder von sowohl der ersten als
auch der zweiten Common-Rail 34, 37 zu leiten.
Diese Kombination von unter Druck gesetztem Brennstoff von den ersten
und zweiten Common-Rails 34, 37 kann einen variablen
Brennstoffdruck innerhalb der mittigen Bohrung 82 gestatten, was
eine variable Einspritzrate des Brennstoffes durch die Zumessöffnungen 84 und
eine variable Eindringungstiefe in die Brennkammer 22 zur
Folge hat.
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4 veranschaulicht
einen beispielhaften Betrieb des Brennstoffsystems 12. 4 wird
im folgenden Abschnitt besprochen, um weiter das offenbarte System
und seinen Betrieb zu veranschaulichen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
Brennstoffsystem der vorliegenden Offenbarung findet weithin Anwendung
in einer Vielzahl von Motorbauarten, die beispielsweise Dieselmotoren,
Benzinmotoren und mit gasförmigem Brennstoff angetriebene
Motoren mit einschließt. Das offenbarte Brennstoffsystem
kann in irgendeinem Motor eingerichtet werden, welches ein System
zum Unter-Druck-Setzen von Brennstoff verwendet, in dem es vorteilhaft
sein kann, eine Brennstofflieferung mit variablem Druck vorzusehen.
Der Betrieb des Brennstoffsystems 12 wird nun erklärt.
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Das
Nadelventilelement 58 kann durch eine Unausgeglichenheit
der Kraft bewegt werden, die durch den Brennstoffdruck erzeugt wird.
Wenn beispielsweise das Nadelventilelement 58 in der ersten Position
oder Zumessöffnungsblockierungsposition ist, kann unter
Druck gesetzter Brennstoff aus dem Brennstoffversorgungsdurchlassweg 74 in
die Steuerkammer 72 fließen, um auf die hydraulische
Oberfläche 98 zu wirken. Gleichzeitig kann unter
Druck gesetzter Brennstoff von dem Brennstoffversorgungsdurchlassweg 74 in
die mittigen Bohrungen 70 und 82 in Voraussicht
einer Einspritzung fließen. Die Kraft der Feder 88 kombiniert
mit der Hydraulikkraft, die an der hydraulischen Oberfläche 98 erzeugt
wird, kann größer sein als eine entgegenwirkende
Kraft, die an der hydraulischen Oberfläche 100 erzeugt wird,
wodurch bewirkt wird, dass das Nadelventilelement 58 in
der ersten Position bleibt, um den Brennstofffluss durch die Zumessöffnungen 84 einzuschränken.
Um die Zumessöffnungen 84 zu öffnen und
den unter Druck gesetzten Brennstoff von der mittigen Bohrung 82 in
die Brennkammer 22 einzuspritzen, kann die erste Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 ihr
assoziiertes Ventilelement bewegen, um selektiv den unter Druck
gesetzten Brennstoff weg aus der Steuerkammer 72 und weg
von der hydraulischen Oberfläche 98 abzuleiten.
Diese Verringerung des Druckes, der auf die hydraulische Oberfläche 98 wirkt,
kann auch gestatten, dass die entgegengesetzte Kraft über
die hydraulische Oberfläche 100 wirkt, um die
Vorspannkraft der Feder 88 zu überwinden, wodurch
das Nadelventilelement 58 zu der Zumessöffnungsöffnungsposition
hin bewegt wird.
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Um
die Zumessöffnungen 84 zu schließen und
die Einspritzung von Brennstoff in die Brennkammer 22 zu
beenden, kann die zweite Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 62 erregt
werden. Insbesondere wenn das Ventilelement, das mit der zweiten Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 62 assoziiert ist,
zur Flussblockierungsposition hin gedrückt wird, kann verhindert
werden, dass Strömungsmittel aus der Steuerkammer 72 zum
Tank 28 abläuft. Weil das unter Druck gesetzte
Strömungsmittel kontinuierlich zur Steuerkammer 72 über
den eingeschränkten Versorgungsdurchlassweg 80 geliefert
wird, kann sich Druck schnell in der Steuerkammer 72 aufbauen, wenn
die Ableitung durch den Steuerdurchlassweg 76 verhindert
wird. Der gesteigerte Druck in der Steuerkammer 72 kombiniert
mit der Vorspannkraft der Feder 88 kann die entgegenwirkende
Kraft überwinden, die auf die hydraulische Oberfläche 100 wirkt, um
das Nadelventilelement 58 zur geschlossenen Position hin
zu drücken. Es wird in Betracht gezogen, dass die zweite
Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 62 weggelassen
werden kann, falls erwünscht, und dass die erste Elektromagnetbetätigungsvorrichtung 60 verwendet
wird, um sowohl die Öffnungs- als auch die Verschlussbewegung
des Nadelventilelementes 58 einzuleiten.
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Die
Drucksteuervorrichtung 102 kann den Druck des Brennstoffes
beeinflussen, der zu den mittigen Bohrungen 70 und 82 geliefert
wird und in die Brennkammer 22 eingespritzt wird. Insbesondere
ansprechend auf einen Strom, der an die piezoelektrischen Kristalle
der Betätigungsvorrichtung 104 angelegt wird,
kann die Betätigungsvorrichtung 104 eine Bewegung
der Ventilelemente 106 (siehe 2), und 108 (siehe 3)
bewirken, um die Menge des unter Druck gesetzten Brennstoffes zu
vergrößern oder zu verringern, der von der zweiten
Common-Rail 37 in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 fließt.
Mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 2 kann
die Bewegung der Betätigungsvorrichtung 104 auch
gleichzeitig die Menge des unter Druck gesetzten Brennstoffes steuern,
der von der ersten Common-Rail 34 in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 fließt.
Mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 3 kann
im Gegensatz dazu das Ventilelement 110 unabhängig
gesteuert werden, um die Flussrate des Brennstoffes aus der ersten
Common-Rail 34 in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 32 zu
variieren.
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Diese
Veränderung der Flussraten des Brennstoffes aus den ersten
und zweiten Common-Rails 34, 37 kann direkt den
Druck des Brennstoffes innerhalb der mittigen Bohrungen 70 und 82 beeinflussen.
Beispielsweise kann ein gesteigerter Strom, der an die Betätigungsvorrichtung 104 angelegt
wird, eine Steigerung der Flussrate des unter Druck gesetzten Brennstoffes
aus der zweiten Common-Rail 37 bewirken, und einen daraus
resultierenden höheren Druck des Brennstoffes in den mittigen Bohrungen 70 und 82.
Im Gegensatz dazu kann ein verringerter Strom, der an die Betätigungsvorrichtung 104 angelegt
wird, eine Verringerung der Flussrate des unter Druck gesetzten
Brennstoffes aus der zweiten Common-Rail 37 bewirken und
einen daraus resultierenden niedrigeren Druck des Brennstoffes in den
mittigen Bohrungen 70 und 82. Mit Bezug auf 2 können
die Veränderung die Flussrate des unter Druck gesetzten
Brennstoffes aus der zweiten Common-Rail 37 gleichzeitig
einer umgekehrten Veränderung der Flussrate des unter Druck
gesetzten Brennstoffes aus der ersten Common-Rail 34 entsprechen.
Mit Bezug auf 3 kann die Flussrate des unter
Druck gesetzten Brennstoffes aus der ersten Common-Rail 34 unabhängig über
das elektromagnetbetätigte Ventilelement 110 gesteuert
werden.
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Der
Druck des Brennstoffes, der zu den mittigen Bohrungen 70 und 82 geliefert
wird und in die Brennkammer 22 eingespritzt wird, kann über
einen einzigen Einspritzzyklus variiert werden (beispielsweise über
den Zyklus von Einspritzungen, der während der vier Hübe
des Kolbens 18 auftritt) oder auch während eines
einzigen Einspritzereignisses. Insbesondere, wie in 4 veranschaulicht,
kann eine erste Kurve 112 die proportionale Bewegung des
Ventilelementes 106 in einem einzigen Einspritzzyklus darstellen.
Eine zweite Kurve 114 kann verschiedene Einspritzereignisse
während des Einspritzzyklus darstellen. Eine dritte Kurve 116 kann
den Druck des Brennstoffes darstellen, der während einer
Reihe von Einspritzereignissen in dem Einspritzzyklus eingespritzt
wird. Wie aus den ersten und zweiten Kurven 114, 116 zu
sehen ist, werden zwei Pilot- bzw. Voreinspritzungen des Brennstoffes
mit einem ersten Druck derart veranschaulicht, dass sie auftreten,
bevor der Kolben 18 den oberen Totpunkt (TDC = top dead
center) erreicht hat, wobei zwei Haupteinspritzungen des Brennstoffes
mit einem zweiten Druck derart veranschaulicht sind, dass sie kurz
nach dem auftreten, wenn der Kolben 18 den oberen Totpunkt
TDC erreicht hat, und eine Nacheinspritzung des Brennstoffes mit
einem dritten Druck ist derart veranschaulicht, dass sie spät
im Abwärtshub des Kolbens 18 auftritt.
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Durch
Vergleich der ersten Kurve 112 und der dritten Kurve 116 ist
zu sehen, dass die Bewegung des Ventilelementes 106 oder 108 den
Druck der einzelnen Einspritzereignisse beeinflussen kann. Insbesondere,
wenn das Ventilelement 106 oder 108 in der ersten
Position ist, ist der Druck des Einspritzereignisses der Gleiche
wie der Druck des ersten Brennstoffflusses aus dem Brennstoffpumpmechanismus 30a (beispielsweise
ungefähr 100 MPa). Wenn das Ventilelement 106 oder 108 in
der zweiten Position ist, ist der Druck des Einspritzereignisses der
Gleiche wie der Druck des zweiten Brennstoffflusses vom zweiten
Pumpmechanismus 30b (beispielsweise ungefähr 200
MPa). Wenn das Ventilelement 106 oder 108 in einer
Position zwischen den ersten und zweiten Positionen ist, ist der
Druck des Einspritzereignisses ein kombiniertes Druckniveau, beispielsweise
zwischen 100 und 200 MPa. Eine gestrichelte Linie 118,
die mit der dritten Kurve 116 assoziiert ist, veranschaulicht
den Einfluss der Geschwindigkeit des Ventilelementes 106,
welches sich zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegt. Es
sei bemerkt, dass die in 3 veranschaulichten Einspritzereignisse
nur beispielhaft sind, und dass irgendeine Anzahl von Einspritzungen
mit irgendeinem geeigneten Timing bezüglich der Bewegung
des Kolbens 18 eingerichtet werden kann. Es wird auch in Betracht
gezogen, dass die relativen Druckgrößen, die von
der zweiten Kurve 118 veranschaulicht werden, modifiziert
werden können, falls erwünscht.
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Weil
das Brennstoffsystem 12 den Druck des eingespritzten Brennstoffes
durch proportionale Kombination von zwei unterschiedlichen Flüssen
von unter Druck gesetztem Brennstoff variieren kann, kann die Anzahl
der unterschiedlichen Niveaus des Brennstoffdruckes, die für
eine Einspritzung verfügbar sind, stufenlos sein. Insbesondere
ist das Brennstoffsystem 12 nicht auf spezielle vorbestimmte Druckniveaus
eingeschränkt. Diese Flexibilität des Druckes
des eingespritzten Brennstoffes kann die Anwendung des Brennstoffsystems 12 auf
unterschiedliche Anwendungen erweitern, genauso wie sie den Betriebsbereich
und die Effizienz des Motors 10 erweitern kann. Zusätzlich
kann diese Flexibilität eine Übereinstimmung mit
Emissionsstandards unter einem größeren Bereich
von Betriebsbedingungen gestatten.
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Weil
das Brennstoffsystem 12 den Druck des eingespritzten Brennstoffes
mit einer minimalen Anzahl von zusätzlichen Komponenten
variieren kann, können die Komplexität und die
Kosten des Brennstoffsystems 12 weiterhin gering sein.
Insbesondere kann das Hinzufügen der Drucksteuervorrichtung 102 sehr
wenig zusätzliche Komplexität oder zusätzliche
Kosten für das Brennstoffsystem 12 hinzufügen.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem Brennstoffsystem der vorliegenden Offenbarung
vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung
abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann
aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen
Ausführung des hier offenbarten Brennstoffsystems offensichtlich
werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele
nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung
durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten
Ausführungen gezeigt wird.
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Zusammenfassung
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BRENNSTOFFSYSTEM MIT MEHREREN
QUELLEN FÜR EINSPRITZUNG MIT VARIABLEM DRUCK
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Ein
Brennstoffsystem für eine Arbeitsmaschine wird offenbart.
Das Brennstoffsystem hat eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, eine
erste Quelle für Brennstoff mit einem ersten Druck, eine
zweite Quelle für Brennstoff mit einem zweiten Druck und
eine Drucksteuervorrichtung. Die Drucksteuervorrichtung ist zwischen
der Brennstoffeinspritzvorrichtung und den ersten und zweiten Quellen
angeordnet. Die Drucksteuervorrichtung ist konfiguriert, um selektiv den
Brennstoff mit dem ersten Druck und den Brennstoff mit dem zweiten
Druck zur Brennstoffeinspritzvorrichtung zu leiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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