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Die
Erfindung betrifft eine Startvorrichtung für Motoren mit gemeinsamer Kraftstoff-Einspritzleitung.
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Heutzutage
sind die Automobilhersteller bemüht,
möglichst
umweltschonende Fahrzeuge zu entwickeln. Zum einen weil das Umweltbewusstsein so
groß ist
wie nie zuvor, vor allem aber weil die Schadstoffnormen immer strenger
werden.
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Eine
der von den Herstellern in Betracht gezogenen Lösungen zur Verringerung des
Schadstoffausstoßes
besteht darin, den Motor auszuschalten, wenn er nicht benötigt wird,
wie beispielsweise vor einer roten Ampel. Diese Technik wird allgemein
als „stop
and start" bezeichnet.
Das Ausschalten des Motors erlaubt den Kraftstoffverbrauch und damit
die Schadstoffe zu verringern. Die Senkung der Schadstoffe ist vor
allem in der Stadt erheblich, wo die hohe Dichte an Verkehrssignalen
zu regelmäßigem Halten zwingt
und wo es oft zu Staus kommt.
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Die
Technik des „stop
and start" lässt sich leicht
in Motoren anwenden, bei denen das Einspritzen in jedem Zylinder
individuell gesteuert ist. Dies gilt jedoch nicht für Motoren
mit einer gemeinsamen Leitung (auch Common Rail genannt), die das
Einspritzen von mehreren Zylindern gleichzeitig steuert. Denn bis
jetzt starten Common-Rail-Motoren
mit Hochdruck-Kraftstoffstrahl für „stop and
start" zu langsam.
Der Grund ist, dass die Hochdruckpumpe einige Zeit braucht, bis
sie den Kraftstoff in der gemeinsamen Leitung auf den Druck komprimiert
hat, der mindestens für
das Funktionieren der Einspritzdüsen
nötig ist.
Damit Motoren mit gemeinsamer Einspritzleitung im Modus „stop and
start" funktionieren können, muss
also ihre Anlasszeit verkürzt
werden.
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Die
Patentanmeldung
US 5 839 413 offenbart
ein System, das die Anlasszeit eines Common-Rail-Motors verkürzt. Das
Prinzip dieses Systems beruht darauf, die gemeinsame Leitung nicht nur
mit einer Hochdruckpumpe, sondern mithilfe von zwei Rückschlagventilen
mit Feder (ein erstes Niederdruck- und ein zweites Hochdruckventil)
auch mit einem Niederdruckkreis zu verbinden. Der Niederdruckkreis
besitzt einen Niederdruck-Akkumulator, der einen stabilen Druck
aufrechterhält,
welcher kleiner ist als der Druck, den die Hochdruckpumpe unter Volllast
liefert. So komprimiert der Niederdruckkreis beim Starten bereits
den Kraftstoff in der gemeinsamen Leitung, während die Hochdruckpumpe in
Gang gesetzt wird. Sobald die Hochdruckpumpe einen Druck erzeugt,
der höher
ist als derjenige im Niederdruckkreis, schließt sich das Niederdruckventil,
das bis dahin den Niederdruck-Fluss passieren ließ, zugunsten
des zweiten Ventils. Die gemeinsame Leitung wird am Ende nur von
der Hochdruckpumpe unter Druck gesetzt.
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Dieses
System verkürzt
die Druckanstiegszeit. Dennoch ist diese Technik nicht zufrieden
stellend, zum einen weil sie zu komplex ist und zum anderen weil
sie für
eine komfortable Anwendung für „stop and
start" keine ausreichende
Geschwindigkeit liefert.
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Die
JP 10 247130A zeigt
eine Startvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bestehenden
Nachteile ganz oder teilweise zu beheben. Daher schlägt die Erfindung
eine einfach aufgebaute Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor vor,
die sich mit wenigen Veränderungen
am Motor integrieren lässt
und die Anlasszeit verkürzt,
um ihn für „stop and
start" anzupassen.
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Hierzu
schlägt
die Erfindung eine Startvorrichtung für einen Verbrennungsmotor vor,
mit einem Akkumulator für
unter Druck stehenden Kraftstoff, Mitteln zum Versorgen mit unter
Druck stehendem Kraftstoff und mindestens einem Einspritzmittel,
das vom Akkumulator mit Kraftstoff versorgt wird, wobei die Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie außerdem eine Energiespeichervorrichtung
aufweist, die durch den Druck im Akkumulator versorgt wird, und
dadurch, dass die Energiespeichervorrichtung beim Starten die gespeicherte
Energie abgeben kann, sodass ein zweites Mittel zum Komprimieren von
Kraftstoff zur Verfügung
steht, das es erlaubt, den Motor schneller zu starten.
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Da
im Vergleich zur bislang nötigen
nicht allzu viel zusätzliche
Energie geliefert werden muss und den Einspritzdüsen ein ausreichender Druck
geliefert wird, um den Motor zu starten, bis die Hochdruckpumpe
ihre Aufgabe übernimmt,
kommt die Erfindung ohne große
strukturelle Änderungen
aus.
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Erfindungsgemäß umfassen
die Kraftstoffversorgungs-Mittel vorteilhafterweise eine Hochdruckpumpe,
die den Akkumulator mit Kraftstoff versorgt, und ein Rückschlagventil,
das nur eine Laufrichtung des Kraftstoffs zulässt, nämlich von der Pumpe zum Akkumulator.
In diesem System wird bei der Freisetzung der Energie der Druck
im Akkumulator eingeschlossen und liefert so den für die Einspritzmittel
nötigen
Mindestdruck.
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Vorteilhafterweise
ist das Energiespeichermittel erfindungsgemäß an einem der beiden Enden des
Akkumulators angeordnet und umfasst einen Kolben, eine Feder zwischen
dem Kolben und dem Ende, mindestens einen ersten statischen Anschlag und
mindestens einen zweiten beweglichen Anschlag als Begrenzung für den Lauf
des Kol bens. Mit dieser einfachen Vorrichtung können bestehende Motoren leicht
für „stop and
start" angepasst
werden.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung kann der erste, statische Anschlag vorteilhafterweise
den Kolben aufnehmen, um die Beanspruchung der Feder zu begrenzen.
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Vorteilhafterweise
umfassen die zweiten Anschläge
Steuermittel, die während
des Funktionierens des Motors die Bewegung des Kolbens vom Ende
ins Innere des Akkumulators verhindern und diese Bewegung während des
Startens zulassen. Dieses einfache Anschlagpaar ermöglicht es,
die Einheit aus Kolben und Feder zu entspannen oder in Spannung
zu halten.
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Vorteilhafterweise
sind die Steuermittel erfindungsgemäß im Interesse größtmöglicher
Kompaktheit und Präzision
der Geräte
elektromagnetisch.
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Nach
einer zweiten Variante umfasst das Energiespeichermittel vorteilhafterweise
einen Kolben, ein elastisches Mittel zwischen dem Kolben und dem Ende
und ein Verriegelungssystem, das den Kolben selektiv freigeben kann.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Verriegelungssystem nach dieser zweiten Variante mindestens
drei Schwingarme, die jeweils an ihren Enden mit Rollen versehen
und verschwenkbar auf einer Scheibe montiert sind, wobei eine Welle
den Kolben und die Scheibe miteinander verbindet und elastische
Mittel, welche die Schwingarme miteinander verbinden, es je nach
den an die Steuermittel übertragenen
Befehlen ermöglichen,
die Schwingarme selektiv zwischen den Steuermitteln und dem Ende des
Akkumulators zu blockieren.
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Bei
der zweiten Variante umfassen die Steuermittel vorteilhafterweise
einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Anschlag und ein T-förmiges Element, dessen Basis
den Anschlag verlängert
und dessen Körper
von elektromagnetischen Mitteln translationsgesteuert wird, was
es den ersten Rollen ermöglicht,
der Oberfläche
des Anschlags zu folgen, um die zweiten Rollen des Endes des Akkumulators wahlweise
zu blockieren oder freizugeben.
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Weitere
Besonderheiten und Vorteile werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung
deutlich, die als nicht einschränkendes
Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
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1 ist
eine schematische Ansicht der Startvorrichtung nach einer ersten
Variante.
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2 ist
eine schematische Ansicht des Energiespeichermittels nach einer
zweiten Variante.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel ist zu sehen, dass das
zentrale Element der allgemein als 1 bezeichneten Startvorrichtung
der Kraftstoff-Akkumulator oder die gemeinsame Leitung 2 ist.
Er besitzt im Wesentlichen eine zylindrische Form und ist mit den
Kraftstoffversorgungs-Mitteln 3, einem Energiespeichermittel 4 und
Einspritzmitteln 5 verbunden.
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Die
Kraftstoffversorgungs-Mittel 3 umfassen im dargestellten
Beispiel zunächst
eine Hochdruckpumpe 6, die den Kraftstoff im Akkumulator 2 komprimieren
kann, und eine Leitung 7 mit einem Rückschlagventil 8,
welche die Verbindung zwischen der Pumpe 6 und dem Akkumulator 2 herstellt.
Im dargestellten Beispiel lässt
das Ventil 8 den Kraftstoff nur in der Richtung von der
Hochdruckpumpe 6 zum Akkumulator 2 laufen.
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Die
Einspritmittel 5 im dargestellten Beispiel bestehen aus
Leitungen 9 und Einspritzdüsen 10. In diesem
Beispiel handelt es sich um einen Motor mit gemeinsamer Einspritzleitung,
die für
das Einspritzen von vier Zylindern sorgt. Hierfür sind vier Leitungen 9 vorgesehen,
die den unter Druck stehenden Kraftstoff vom Akkumulator 2 zu
den vier Einspritzdüsen 10 transportieren.
Jede der Einspritzdüsen
verteilt den unter Druck stehenden Kraftstoff in den (nicht dargestellten)
Verbrennungskammern.
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Schließlich umfasst
die Vorrichtung 1 in dem in 1 dargestellten
Beispiel noch ein Energiespeichermittel 4, das mit dem
Kraftstoff-Akkumulator 2 zusammenwirkt.
Das Energiespeichermittel besteht im Wesentlichen aus einem Kolben 11,
einer Feder 12 und zwei Sätzen von Anschlägen 13, 14.
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Der
Kolben 11 kann sich innerhalb des Akkumulators 2 von
unter Druck stehendem Kraftstoff bewegen. Der Kolben 11 wird
bei seiner Bewegung von einem Verbindungsmittel 15 wie
einer Ringdichtung oder einem Segment an seiner Peripherie abgedichtet.
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Die
vorher erwähnte
Feder 12 ist vorzugsweise eine Schraubenfeder und im dargestellten
Beispiel mit dem Ende 2b des Akkumulators, das dem Ende 2a gegenüberliegt,
mit dem die Leitung 7 verbunden ist, und dem Kolben 11 verbunden.
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Schließlich verfügt das Energiespeichermittel 4 über zwei
Sätze von
Anschlägen 13, 14.
Der erste Satz, der aus einem einzigen Anschlag 13 gebildet ist,
ist statisch und ringförmig.
Er ist innerhalb des Akkumulators 2 zwischen seinem Ende 2b und
dem Kolben 11 befestigt. Im dargestellten Beispiel ist
der zweite Satz, bestehend aus zwei Anschlägen 14, beweglich
und kann mit dem Kolben 11 zusammen wirken, um diesen in
der Leitung 2 zu blockieren. Dieses Zusammenwirken kann
zum Beispiel mithilfe einer Verbindung von der Art Zapfen 14 – Zapfenloch 11 erfolgen.
So lässt
der zweite Satz von Anschlägen 14 mal
den Durchgang des Kolbens 11 in seiner Nähe zu, mal
verhindert er ihn. Vorzugsweise werden die beiden beweglichen Anschläge elektromagnetisch gesteuert.
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Beim
ersten Starten des Common-Rail-Motors nach der Erfindung befindet
sich der Kolben 11 des Energiespeichermittels 4 in
seiner Ruheposition (die der Feder 12 im Gleichgewicht
entspricht) und der zweite Satz an Anschlägen 14 lässt den
Durchgang des Kolbens 11 in seiner Nähe zu. Der Kolben befindet
sich also in der Position, in der er am weitesten vom Ende 2b entfernt
ist. Das erste Starten erfolgt damit wie bei einem herkömmlichen
Motor. Die Hochdruckpumpe 6 versorgt den Akkumulator 2 über die
Leitung 7 mit unter Druck stehendem Kraftstoff. Sobald
der Druck, der über
die Leitungen 9 zu den Einspritzdüsen 10 gelangt, hoch
genug ist, um sie zu betätigen,
wird der Motor in Gang gesetzt.
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Während dieses
ersten Ingangsetzens des Motors und während seines Betriebs wird
das Energiespeichermittel 4 betätigt. Denn durch den hohen Druck
im Akkumulator 2 wird der Kolben 11 innerhalb des
Akkumulators zu seinem Ende 2b bewegt und komprimiert auf
diese Weise die Feder 12. Die Feder 12 ist gegenüber dem
Druck im Akkumulator 2 so tariert, dass der Kolben 11 sehr
schnell in den Bereich 2b geschoben wird, wo sich der einzige
Anschlag 13 befindet. Dann werden die beiden beweglichen
Anschläge 14 aktiviert
und blockieren die Bewegung des Kolbens 11. So bleibt der
Kolben 11 beim Ausschalten des Motors im Wesentlichen in
seiner Position und speichert die Energie, indem er die Feder 12 gespannt
hält.
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Bei
den folgenden Startvorgängen
kann der Motor viel schneller starten, da das Energiespeichermittel 4 gespannt
ist und den „stop
and start"-Betrieb ermöglicht.
Die Pumpe 6 wird beim Starten betätigt. Sie liefert am Anfang
einen geringen Druck, der dann progressiv über die Leitung 7 durch
das Ventil 8 ansteigt.
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Ab
einem Grenzdruck lassen die beiden beweglichen Anschläge 14 im
dargestellten Beispiel die Bewegung des Kolbens 11 wieder
zu. Die Freigabe des Kolbens 11 erlaubt, die Feder 12 von
der Spannung zu befreien, der sie ausgesetzt war. Diese Entspannung.
treibt den Kolben 11 ins Innere des Akkumulators 2 und
erzeugt einen starken Überdruck
des Kraftstoffs im Akkumulator.
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Daraufhin
schließt
sich aufgrund der Tatsache, dass der Druck am Ausgang der (noch
nicht unter Volllast stehenden) Hochdruckpumpe 6 niedriger ist
als der des Akkumulators 2, das Ventil 8 und verschließt vorübergehend
die Leitung 7. Mithilfe des Ventils 8 wird der
durch die Aktivierung des Energiespeichermittels 4 erzeugte
Druck (der ausreicht, um den Motor zu starten) im Akkumulator 2 eingeschlossen.
Die erste Einspritzung kann stattfinden.
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Mit
der ersten Einspritzung wird der Motor gestartet, bevor die Pumpe 6 bei
Volllast angelangt ist. Da die Pumpe 6 teilweise durch
die (nicht dargestellte) Motorwelle mit Energie versorgt wird, hat
das Starten des Motors eine beschleunigende Wirkung auf den Druckanstieg
der Pumpe 6. Das Starten verkürzt sich um das Zehnfache.
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Nach
einer gewissen Zeit ist der von der Pumpe 11 gelieferte
Druck höher
als derjenige im Akkumulator 2. Dann öffnet sich das Rückschlagventil 8 unter
der Wirkung des Drucks aus der Pumpe 6 und verbindet diese über die
Leitung 7 mit dem Kraftstoff-Akkumulator 2.
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Nun
kann der normale Zyklus der Verteilung und Einspritzung von Kraftstoff
stattfinden.
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Während des
Zyklus' wird der
Kolben 11 des Speichermittels 4 wieder betätigt, sodass
die zugehörige
Feder 12 komprimiert wird, um auf diese Weise genügend Energie
zum Verkürzen
des nächsten Startvorgangs
zu liefern.
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Dank
der Startvorrichtung ermöglicht
es der genannte und mehrmals wiederholte Zyklus einem Common-Rail-Motor,
im Modus „stop
and start" zu funktionieren.
Vorzugsweise ist der vom Energiespeichermittel 4 erbrachte Überdruck
so tariert, dass zwei Einspritzungen stattfinden können, bevor
die Hochdruckpumpe 6 ihre Aufgabe übernimmt.
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Nach
einer zweiten Variante, die im Beispiel von 2 dargestellt
ist, weist das Energiespeichermittel 104 im Wesentlichen
eine Kolbeneinheit 101, eine Schwingarmeinheit 102 und
eine Steuereinheit 103 auf.
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Die
Kolbeneinheit 101 umfasst einen Kolben 111, eine
Feder 112, einen Kragen 113 am Ende des Kolbenlaufs
und eine Welle 114. Der Kolben 111 gleitet beispielsweise
dank einem O-Ring 115 an seiner Peripherie auf dichte Weise
am Innendurchmesser des Akkumulators 2 entlang. Die Feder 112 ist
zwischen einem der Enden 2a, 2b des Akkumulators und
dem Kolben 111 angeordnet. Die im Wesentlichen entlang
der Translationsachse des Kolbens 111 befestigte Welle 114 läuft nach
und nach in den Innenraum, der von den Windungen der Feder 112 und einem
Loch am Ende 2a, 2b gebildet wird, wo die Kolbeneinheit 101 installiert
ist. Die Welle 114 ist an ihrer Länge teilweise vom Kragen 113 bedeckt,
der es erlaubt, die Austrittslänge
der Welle 114 gegenüber
der gemeinsamen Einspritzleitung 2 zu begrenzen.
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Die
Schwingarmeinheit 102 umfasst vorzugsweise mindestens drei
Schwingarme, von denen nur zwei Schwingarme 105a, 105b in 2 zu
sehen sind, eine Scheibe 107, mindestens drei Federn, von denen
nur eine Feder 108 in 2 zu sehen
ist, und Rollen 109, 110.
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In
dem in 2 dargestellten Beispiel sind die Schwingarme 105 gegenüber der
Scheibe 107 verschwenkbar montiert. Folglich muss diese
ebenso viele Rillen wie Schwingarme aufweisen, die – vorzugsweise
in gleichem Abstand zueinander verteilt – jeweils einen der Schwingarme
teilweise einrahmen. Die Scheibe 107 ist im Wesentlichen
senkrecht gegenüber
der Welle 114 befestigt, was impliziert, dass die Schwingarme 105 im
Wesentlichen parallel zur Welle 114 positioniert sind.
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In
dem in 2 dargestellten Beispiel umfasst jeder Schwingarm 105 an
jedem seiner beiden Enden eine Rolle 109, 110.
Die ersten Rollen 109a und 109b passen in Kerben 121a beziehungsweise 121b in
der Oberfläche
des Endes des Akkumulators 2. Die beiden Rollen 110a und 110b stehen
in permanentem Kontakt mit der Steuereinheit 103. Im dargestellten
Beispiel gibt es für
n Schwingarme n Rillen der Scheibe 107, 2n Rollen, n Kerben
und n Federn.
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In
dem in 2 dargestellten Beispiel besteht die Steuereinheit 103 im
Wesentlichen aus einem Anschlag 116, einem T-förmigen Element 117 und
einem elektromagnetischen Element 118. Der Anschlag 116 ist
kegelstumpfartig und seine geneigte Fläche dient als Rampe für die Rollen 110a und 110b.
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Das
im Wesentlichen T-förmige
Element 117 umfasst eine diskusförmige Basis 119, deren
Durchmesser im Wesentlichen dem größten Durchmesser des Kegels
entspricht und diesen verlängert,
sowie eine Stange 120, die den Anschlag mechanisch mit dem
elektromagnetischen Element 118 verbindet. Letzteres kann
die Stange im Wesentlichen entlang der Achse der Welle 114 bewegen.
Auf diese Weise steuert das elektromagnetische Element 118 die
Annäherung
oder die Entfernung des Anschlags 116 in Bezug auf die
Scheibe 107.
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Wie
bei der ersten Variante 4 hat das Energiespeichermittel 104 die
Aufgabe, den Kolben 111 beim Starten freizugeben, um zeitweise
ein Mittel zum Komprimieren von Kraftstoff in der gemeinsamen Einspritzleitung
zu bilden, bis diese von der Hochdruckpumpe 6 versorgt
wird. Auch bei der zweiten Variante 104 wird der stabilisierte
Druck in der gemeinsamen Einspritzleitung zur Vorspannung des Speichermittels 104 genutzt.
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So
wird der Kolben 111, wenn der Druck in der gemeinsamen
Einspritzleitung 2 höher
ist als die Tarierung der Feder 112, zum Ende der Leitung
bis zum Anschlag 113 geschoben und komprimiert damit die
Feder 112. Diese Bewegung des Kolbens 111 zwingt
die Welle 114, die gemeinsame Einspritzleitung 2 zu
verlassen. Die Bewegung der Welle 114 führt dazu, dass die Scheibe 107 dem
Anschlag 116 angenähert
wird und dadurch die beiden Rollen 110 am Kegel entlang
bis zur diskusförmigen
Basis 119 „nach
oben" laufen.
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Mit
dem Laufen der Rollen 110 nach oben werden die Federn 108 immer
weiter auseinander gespreizt, bis die Schwingarme 105 eine
fast horizontale Lage erreicht haben, in der jede erste Rolle in
ihrer zugeordneten Kerbe 121 blockiert ist, wie in 2 dargestellt.
Das Speichermittel ist dann bereit, im Modus „stop and start" zu funktionieren.
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Beim
nächsten
Starten zieht das elektromagnetische Mittel 118 die Stange 120 zurück. Diese Bewegung
lässt die
beiden Rollen 110 wieder am Kegel des Anschlags 116 entlang
nach unten laufen, was unter den gemeinsamen Kräften der Kontraktion der Federn 108 zwischen
den Schwingarmen und der Entspannung der Feder 112 in der
gemeinsamen Einspritzleitung 2 die Freigabe der Rollen 109 aus
ihren jeweiligen Kerben 121 und eine Translation des Kolbens 111 ins
Innere der gemeinsamen Einspritzleitung 2 bewirkt. Diese
Translation erlaubt wie die erste Variante 4 ein schnelleres
Starten des Verbrennungsmotors. Die oben beschriebene Bewegung wird
wiederholt, um den Motor für „stop and
start" anzupassen.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt. So
können
die elektromagnetischen Steuermittel anderer Art sein. Ebenso kann
die als Beispiel erwähnte
Verbindung Zapfen-Zapfennut zwischen den beweglichen Anschlägen 14 und
dem Kolben 11 anders sein.
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Schließlich kann
der Überdruck
im Akkumulator mithilfe einer vorgespannten elastischen mechanischen
Vorrichtung mit passiver Auslösung
erzeugt werden. Die Steuerung dieser Vorrichtung kann beispielsweise
mithilfe eines Drucks (10 bis 20 bar) erfolgen, der von der Hochdruckpumpe
geliefert wird. Dieser Druck steuert dann die Freigabe des vorgespannten
Organs, das bei seiner Entspannung den Überdruck liefert.