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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine
und insbesondere ein Kraftstoffsystem, das ein Speichervolumen in
Form einer Common Rail zum Zuführen
von Kraftstoff zu mehreren Injektoren umfasst.
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Bei
herkömmlichen
Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen ist es üblich, eine einzige Pumpe zum
Laden eines Speichervolumens, oder Common Rail, mit Hochdruckkraftstoff
zur Zufuhr zu mehreren Injektoren des Kraftstoffsystems vorzusehen.
Das Timing einer Einspritzung wird mittels eines Düsensteuerventils
gesteuert, das jedem Injektor zugeordnet ist. Ein Vorteil des Common-Rail-Systems
liegt darin, dass das Timing einer Einspritzung von Kraftstoff mit
hohem Druck nicht von einem Nockenantriebsmechanismus abhängt; und
so läßt sich
eine schnelle und genaue Steuerung des Timings einer Einspritzung
mit den Düsensteuerventilen
erreichen. Allerdings ist das Erreichen eines sehr hohen Einspritzdrucks
in einem Common-Rail-System problematisch, und die hohen Niveaus,
auf die Kraftstoff unter Druck gesetzt werden muss, können starke
Beanspruchungen in der Pumpe und in der Kraftstoffleitung bewirken.
Die Kraftstoffleitung muss deshalb mit einer relativ dicken Wand
zur Druckbeherrschung versehen werden, wodurch sie schwer und sperrig wird.
Ebenso können
parasitäre
Kraftstoffverluste hoch sein.
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Man
hat erkannt, dass signifikante Verbesserungen in der Verbrennungsqualität und dem
Wirkungsgrad erreicht werden können,
indem das Einspritzdruckniveau und die Einspritzrate innerhalb eines
Einspritzereignis ses rasch variiert werden. Solche Variationen der
Einspritzcharakteristika lassen sich schwer rasch mit Common-Rail-Systemen
erreichen, und der Wirkungsgrad des Systems kann begrenzt sein.
Bei einem Common-Rail-System,
das dazu ausgelegt ist, eine Einspritzung mit einem hohen Kraftstoffleitungsdruck
zu erreichen, ist es z. B. auch möglich, einen niedrigeren Einspritzdruck
zu erreichen, indem etwas von dem Hochdruckkraftstoff in einen Niederdruckbehälter entlastet
wird. Dies ist jedoch eine ineffiziente Verwendung von Pumpenergie.
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Als
Hintergrund zur vorliegenden Erfindung wird anerkannt, dass elektronische
Einheitspumpen (EUPs) ein anderes Kraftstoffsystemkonzept als bei dem
Common-Rail-System vorsehen. Bei einem EUP-Kraftstoffsystem ist
eine EUP für
jeden Zylinder des Motors vorgesehen und hat einen dedizierten Injektor,
dem unter Druck gesetzter Kraftstoff durch die EUP für Einspritzzwecke
zugeführt
wird. Die EUP umfasst eine dedizierte Pumpe mit einem nockengetriebenen
Plunger zum Anheben des Kraftstoffdrucks in einer Pumpenkammer,
woraus unter Druck gesetzter Kraftstoff dem zugehörigen Injektor
zugeführt wird.
In einem EUP-System können
jedoch die Beschränkungen
des Nockenantriebsmechanismus den Bereich des Einspritz-Timings
begrenzen, der erreicht werden kann. Ebenso wird anerkannt, dass elektronische
Injektoren (EUIs) bekannt sind, bei welchen der zugehörige Injektor
in der gleichen Einheit wie sein dedizierter Plunger integriert
ist und die Einspritzung mittels eines Düsensteuerventils der Einheit
gesteuert wird.
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Als
weiteren Hintergrund beschreibt die
EP0976926 eine
integrierte Kraftstoffpumpen- und Stößeleinheit, bei welcher die
Kraftstoffpumpe einen einzigen nockengetriebenen Pumpenplunger zum Unterdrucksetzen
von Kraftstoff in einer Pumpenkammer hat. Ein Auslass der Kraftstoffpumpe
kann konfiguriert sein, um unter Druck gesetzten Kraftstoff einer
separa ten und für
einen anderen Zweck gedachten Common Rail zuzuführen. Jede Kraftstoffpumpe
hat ein integrales Zufuhrrohrelement, das mit Zufuhrrohrelementen
von anderen Pumpen durch Verbindungsrohre zusammengefügt werden
kann, sodass eine Zufuhrrohrleitung gebildet wird, die allen Kraftstoffpumpen
gemeinsam ist.
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Die
DE 10136925 beschreibt
eine Inline-Pumpeneinheit mit einer Reihe von Inline-Pumpenplungern,
die in einem Pumpengehäuse
untergebracht sind. Ein Common-Rail-Modul mit einem Niederdruckbehälter und
einem Hochdruckbehälter
ist an einem Ventilmodul angebracht, das selbst an dem Inline-Pumpengehäuse angebracht
ist. Das Modul regelt die Strömung
von Kraftstoff von dem Niederdruckbehälter zu den Pumpenkammern und
von den Pumpenkammern zu dem Hochdruckbehälter.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Common-Rail-Kraftstoffsystem
vorzusehen, das Verbesserungen gegenüber bekannten Common-Rail-Kraftstoffsystemen
bereitstellt und insbesondere das Problem variabler Einspritzcharakteristika
und parasitärer
Kraftstoffverluste anspricht, um einen verbesserten Systemwirkungsgrad
vorzusehen.
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Nach
einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftstoffsystem
vorgesehen, um mehreren Injektoren Kraftstoff zuzuführen, wobei
das Kraftstoffsystem mehrere Einheitspumpen zum Aufnehmen von Kraftstoff
mit einem Zufuhrdruckniveau von einem ersten Speichervolumen umfasst,
wobei jede Einheitspumpe einen Pumpenplunger zum Unterdrucksetzen
von Kraftstoff in einer zugehörigen
Pumpenkammer auf ein einspritzbares Druckniveau für eine Zufuhr
zu einem zweiten Speichervolumen und ein Zufuhrmittel umfasst, um
einem ersten Speichervolumen Kraftstoff mit einem Zufuhrdruckniveau
zuzuführen.
Das Kraftstoffsystem ist mit einer Speicheranordnung mit einem gemeinsamen Speichergehäu se versehen,
das die ersten und die zweiten Speichervolumina definiert, wobei
jede Einheitspumpe durch eine Anbringung in einer Öffnung oder
Querbohrung integriert ist, die hierin vorgesehen ist, um durch
das gemeinsame Speichergehäuse zu
führen,
wodurch eine Verbindung zwischen der Pumpenkammer jeder Einheitspumpe
und dem ersten Speichervolumen bzw. dem zweiten Speichervolumen
in dem gemeinsamen Speichergehäuse
ermöglicht
ist.
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Ein
besonderer Vorteil des Kraftstoffsystems der vorliegenden Erfindung
liegt darin, dass ein erstes Kraftstoffleitungsvolumen angrenzend
an, neben oder parallel zu einem zweiten Kraftstoffleitungsvolumen
für einen
Kraftstoff mit höherem
Druck in einem gemeinsamen Kraftstoffleitungsgehäuse angeordnet sein kann und
damit ein Abkühlungseffekt
für den Hochdruckkraftstoff
in dem zweiten Kraftstoffleitungsvolumen vorgesehen ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die zusammengebaute Einheitspumpen- und Kraftstoffleitungsanordnung,
die eine integrierte Pumpen-/Kraftstoffleitungsanordnung bildet, derart
eingerichtet, dass jede Einheitspumpe in dem gemeinsamen Speichergehäuse aufgenommen
ist, sodass eine Verbindung zwischen dem zweiten Speichervolumen
und seiner Pumpenkammer in der Pumpen-/Kraftstoffleitungsanordnung
ermöglicht
ist, wobei der Verbindungspfad zweckmäßig eine Grenzfläche zwischen
Einheitspumpe und Kraftstoffleitungsgehäusen durchquert.
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Bevorzugt
sind mehrere Einheitspumpen vorgesehen, in gleicher Anzahl wie die
Anzahl von Injektoren, denen Kraftstoff zugeführt wird.
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Das
erste Kraftstoffleitungsvolumen kann mit der Pumpenkammer jeder
Einheitspumpe in dem Speichergehäuse über ein
erstes Ventilmittel ver bindbar sein, typischerweise in Form eines
Rückschlagventils,
das eine offene Stellung, in der die Pumpenkammer mit dem ersten
Kraftstoffleitungsvolumen in Verbindung steht, und eine geschlossene Stellung
aufweist, in der die Verbindung unterbrochen ist.
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Ein
besonderer Vorteil der Tatsache, dass Kraftstoff auf zwei Druckniveaus
eingespritzt werden kann, liegt darin, dass eine Sequenz aus einer
Haupteinspritzung von Kraftstoff mit einem zweiten (höheren) Druckniveau,
gefolgt von einer Nacheinspritzung von Kraftstoff mit einem ersten
(mäßigen) Druckniveau,
erreicht werden kann, und dies kann Vorteile für Nachbehandlungszwecke haben.
Ebenfalls ist es wünschenswert,
eine Voreinspritzung von Kraftstoff mit einem ersten Druckniveau
einzuspritzen, gefolgt von einer Haupteinspritzung von Kraftstoff
mit einem zweiten Druckniveau, oder eine stiefelförmige Einspritzcharakteristik
vorzusehen, was auch Vorteile in Hinblick auf Motorgeräusch- und
Emissionsniveaus bringt.
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Deshalb
umfasst das Kraftstoffsystem bevorzugt ein zweites Ventilmittel,
wobei das zweite Kraftstoffleitungsvolumen mit der Pumpenkammer
jeder Einheitspumpe durch das zweite Ventilmittel verbindbar ist.
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Bevorzugt
ist das zweite Ventilmittel ein Kraftstoffleitungssteuerventil,
das zwischen einer offenen Stellung, in der ein Vorrat von Kraftstoff
mit dem einspritzbaren Druckniveau, welches das erste einspritzbare
Druckniveau ist, von dem zweiten Kraftstoffleitungsvolumen zugeführt wird,
und einer geschlossenen Stellung betätigbar ist, in der eine Verbindung
zwischen der Pumpenkammer und dem zweiten Kraftstoffleitungsvolumen
unterbrochen ist, sodass die Einheitspumpe dazu dient, den Kraftstoff auf
ein zweites einspritzbares Druckniveau zu erhöhen.
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Zweckmäßigerweise
bilden Kraftstoffleitungssteuerventil und/oder das Rückschlagventil
einen integralen Teil der Einheitspumpe, der in einem gemeinsamen
Pumpengehäuse
enthalten ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Plunger jeder Einheitspumpe in einer Plungerbohrung bewegbar,
um einen Pumpzykus mit einem Pumphub und einem Rückhub durchzuführen. Während des
Plungerpumphubs kommt es zur Druckbeaufschlagung von Kraftstoff
in der Pumpenkammer. Während
des Plungerrückhubs
wird die Pumpenkammer mit Kraftstoff gefüllt, der während des folgenden Pumphubs
unter Druck zu setzen ist.
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Jede
Einheitspumpe wird bevorzugt mittels einer Nockenanordnung angetrieben,
wobei der Plunger mit einem Antriebselement wie einem Stößel zusammenwirkt,
um eine Plungerbewegung zu bewirken. Ein Nockenmitnehmer wie eine
Rolle kann vorgesehen sein, um das Antriebselement in Ansprechen
auf die Drehung einer motorgetriebenen Nocke anzutreiben, sodass
die Plungerbewegung angetrieben wird.
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Man
wird verstehen, dass das Kraftstoffsystem die Kraftstoffinjektoren
umfasen kann, aber nicht muss, und jeweilige Hochdruckzufuhrdurchgänge umfassen
kann, aber nicht muss, um Kraftstoff aus jeder Einheitspumpe einem
zugehörigen
Injektor zuzuführen.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
bildet jede Einheitspumpe eine EUI-Einheit, in der die Einheitspumpe mit
einem zugehörigen
Injektor (elektronisch gesteuert) in einer gemeinsamen Pumpen-/Injektoreinheit
integriert ist. Das Erfordernis eines Hochdruckzufuhrdurchgangs
zwischen der Einheitspumpe und ihrem zugehörigen Injektor ist bei dieser Ausführungsform
vermieden.
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Das
System kann ein Steuerventilmittel umfassen, das dazu dient, das
Timing des Beginns einer Einspritzung mit einem ersten und/oder
einem zweiten einspritzbaren Druckniveau zu steuern. Das Steuerventilmittel
kann bei einer ersten Ausführungsform
ein Düsensteuerventil
umfassen, das dazu dient, den Kraftstoffdruck in einer Injektorsteuerkammer
zu steuern, um die Steuerung des Einspritz-Timings mit dem ersten
und/oder dem zweiten einspritzbaren Druckniveau zu ermöglichen.
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Der
Injektor kann eine Ventilnadel umfassen, die selbst eine Fläche hat,
die dem Kraftstoffdruck in der Steuerkammer ausgesetzt ist, sodass
durch die Steuerung des Kraftstoffdrucks in der Steuerkammer mittels
des Düsensteuerventils
das Öffnen
und Schließen
der Ventilnadel gesteuert werden kann.
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Das
Zufuhrmitel kann die Form einer Transferpumpe annehmen, um Kraftstoff
mit einem Zufuhrdruckniveau zuzuführen. Man wird jedoch verstehen, dass
das Zufuhrmittel des Systems die Transferpumpe umfassen kann, das
System aber die Pumpe nicht umfassen muss und ohne sie hergestellt
werden kann, wobei dann das Zufuhrmittel einfach die Form eines
Einlasses zu dem ersten Kraftstoffleitungsvolumen annehmen kann.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
diagrammatische Ansicht ist, um ein Kraftstoffsystem einer ersten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zu zeigen;
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2 eine
diagrammatische Ansicht einer Kraftstoffleitungsanordnung des Kraftstoffsystems
in 1 ist;
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3 eine
Draufsicht eines Endes der Kraftstoffleitungsanordnung in 2 ist,
um ein Druckentlastungsventil der ersten Kraftstoffleitung zu zeigen;
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4 eine
Perspektivansicht der Kraftstoffleitungsanordnung in 1 bis 3 von
einem Ende ist;
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5 eine
Endansicht eines Teils des Kraftstoffsystems in 1 ist,
um zu veranschaulichen, wie eine der Einheitspumpen des Systems
in das Kraftstoffleitungsgehäuse
integriert ist;
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6 eine
schematische Ansicht des Kraftstoffsystems in 1 ist;
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7 eine
Schnittansicht einer Einheitspumpe ist, die zu dem Kraftstoffsystem
in 1 und 6 gehört; und
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8 eine
alternative Schnittansicht der Einheitspumpe zu der in
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7 gezeigten
ist, um Hochdruck- und Kraftstoffleitungskreise der Einheitspumpe
zu veranschaulichen.
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Unter
Bezug auf 1 ist ein Kraftstoffsystem zum
Zuführen
von Kraftstoff zu mehreren Kraftstoffinjektoren 14a–14f gezeigt
(von denen sechs gezeigt sind), denen jeweils Kraftstoff mit einem
einspritzbaren Druck durch jeweilige Hochdruckzufuhrleitungen oder
-durchgänge 12a–12f zugeführt wird. Das
Kraftstoffsystem umfasst Pumpenmittel in Form mehrerer Einheitspumpen 10a–10f,
von denen jede einem der Injektoren 14a–14f zugeordnet ist.
Jede Einheitspumpe 10a–10f ist,
wie vorher be schrieben, von einem allgemein ähnlichen Typ wie die bekannte elektronische
Einheitspumpe (EUP), obwohl die signifikanten Modifizierungen an
der Konstruktion und dem Betrieb später im einzelnen beschrieben
werden.
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Die
Einheitspumpen 10a–10f sind
in eine Kraftstoffleitungsanordnung integriert, die allgemein mit 16 bezeichnet
ist und erste und zweite Speicher- oder Kraftstoffleitungsvolumina
umfasst, die durch erste und zweite Kraftstoffleitungen 18, 20 definiert sind.
Die erste Kraftstoffleitung 18 nimmt Kraftstoff mit relativ
niedrigem Druck von einem Kraftstoffzufuhrmittel (in 1 nicht
gezeigt) durch einen Kraftstoffleitungseinlass auf. Typischerweise
umfasst das Kraftstoffzufuhrmittel eine Transferpumpe, die dem Kraftstoffleitungseinlass
Kraftstoff zuführt.
Die zweite Kraftstoffleitung 20 nimmt Kraftstoff auf, der
durch die Einheitspumpen 10a–10f auf ein einspritzbares Druckniveau
unter Druck gesetzt worden ist. Die ersten und die zweiten Kraftstoffleitungen 18, 20 sind angrenzend
und parallel zueinander angeordnet und in ein gemeinsames Speichergehäuse in Form
eines Kraftstoffleitungsgehäuses 22 definiert
oder integriert. Sind sie mit der Kraftstoffleitungsanordnung 16 zusammengebaut,
dann definieren die Einheitspumpen 10a, 10b eine „integrierte
Kraftstoffleitungs-/Pumpenanordnung".
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Nun
wird die Kraftstoffleitungsanordnung 16 unter Bezug auf 2 bis 5 weiter
im einzelnen beschrieben. In 5 ist nur
eine erste der Einheitspumpen 10a sichtbar, und damit ist
die Anordnung der Einheitspumpe 10a relativ zu dem Kraftstoffleitungsgehäuse 22 veranschaulicht.
Das Kraftstoffleitungsgehäuse 22 ist
mit mehreren Querbohrungen oder Öffnungen 24a–24f versehen,
von denen sich jede durch das Gehäuse 22 erstreckt,
sodass sie das erste Kraftstoffleitungvolumen 18 schneidet
oder unterbricht. Jede Einheitspumpe 10a–10f ist
in der Kraftstoffleitungsan ordnung 16 derart angebracht, dass
ihre (nicht sichtbare) Pumpenkammer mit der ersten Kraftstoffleitung 18 an
Punkten innerhalb des Kraftstoffleitungsgehäuses 22 in Verbindung
stehen kann, weshalb die Notwendigkeit externer Rohrverbindungen
und externer Dichtungen zwischen der Einheitspumpe 10a–10f und
den Kraftstoffleitungen 18, 20 vermieden ist.
Ein weiteres Merkmal des Anbringens der Einheitspumpen 10a–10f in
der Anordnung liegt darin, dass die Pumpenkammer jeder Einheit mit
der zweiten Kraftstoffleitung 20 innerhalb der Pumpen-/Kraftstoffleitungsanordnung über interne Grenzflächendichtungen
zwischen Seiten des Einheitspumpengehäuses und des Kraftstoffleitungsgehäuses 22 in
Verbindung steht, was später
im einzelnen beschrieben wird.
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Die
Gesamtzahl von in dem Kraftstoffleitungsgehäuse 22 vorgesehenen Öffnungen 24a–24f ist
gleich der Anzahl von Einheitspumpen 10a–10f des
Systems (d. h. sechs in dem gezeigten Beispiel), sodass jede Öffnung jeweils
eine der Einheitspumpen 10a–10f aufnimmt, wenn
das System zusammengebaut ist. Geeignete Befestigungspunkte 26,
z. B. Bolzenlöcher,
sind für
jede Öffnung 24a–24f (nur für die erste Öffnung 24a angegeben)
vorgesehen, um ein Mittel zum Befestigen oder Einklemmen jeder Einheitspumpe 10a–10f an
einem (nicht identifizierten) Motorgehäuse vorzusehen, typischerweise
dem Motorzylinderblock, wenn sie in ihrer Öffnung 24a–24f aufgenommen
ist. Jede Einheitspumpe 10a–10f sitzt in der Öffnung 24a–24f,
sodass ihre Längsachse
die Längsachse
der ersten Kraftstoffleitung 18 schneidet.
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Ein
Ende der zweiten Kraftstoffleitung 20 ist mit einem Drucksensor 28 versehen,
der den Kraftstoffdruck in der zweiten Kraftstoffleitung 20 erfasst und
ein Ausgangssignal an eine (nicht gezeigte) Motorsteuereinheit (ECU)
liefert. Ein Druckentlastungsventil 30 ist am gegenüberliegenden
Ende der zweiten Kraftstoffleitung 20 vorgesehen. Das Druckentlastungs ventil 30 ist
elektronisch von der ECU steuerbar, die das Druckentlastungsventil
in Ansprechen auf das Kraftstoffleitungsdrucksensorausgangssignal steuert,
um ein übermäßiges Unterdrucksetzen
von Krafstoff in der zweiten Kraftstoffleitung 20 zu verhindern.
Eine Rückführbohrung 32 ist
in dem Kraftstoffleitungsgehäuse 16 vorgesehen,
wie in 3 gezeigt, um einen Strömungspfad für Kraftstoff vorzusehen, der
durch das Ventil 30 in die erste Kraftstoffleitung 18 mit
niedrigerem Druck entlastet wird.
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6 zeigt
die hydraulische Anordnung der Einheitspumpen 10a–10f,
der ersten und der zweiten Kraftstoffleitungen 18, 20 und
der Injektoren 14a–14f. Der
Einfachheit halber sind nur ein einziger Injektor 14a und
seine zugeordnete Einheitspumpe 10a in 6 in
Beziehung zu den ersten und den zweiten Kraftstoffleitungen 18, 20 gezeigt,
obwohl die ersten und zweiten Krafstoffleitungen 18, 20 allen
Injektoren 14a–14f und
allen Einheitspumpen 10a–10f des Systems gemeinsam
sind, was aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird. Nur
eine einzige der Einheitspumpen 10a und ein einziger der
Injektoren 14a werden im Einzelnen beschrieben, da alle
Einheitspumpen und alle Injektoren im Wesentlichen identisch sind.
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Der
Injektor 14a umfasst eine Einspritzdüse 34 und ein Steuerventilmittel
in Form eines Düsensteuerventils 36 (alternativ
als ein Nadelsteuerventil bezeichnet), das angeordnet ist, um die
Bewegung der Ventilnadel 38 zu steuern, so dass die Abgabe von
Kraftstoff aus der Einspritzdüse 34 gesteuert wird.
Die Ventilnadel 38 kann mit einer Ventilnadelfläche in Eingriff
gebracht werden, und eine Bewegung der Ventilnadel 38 von
der Auflagefläche
weg ermöglicht,
dass Kraftstoff durch einen oder mehrere (nicht angegebene) Einspritzdüsenauslässe in den
zugehörigen
Motorzylinder oder einen anderen Verbrennungsraum strömt.
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Das
Düsensteuerventil 36 ist
in einem Strömungspfad 40 zwischen
dem Kraftstoffzufuhrmittel 42, das in dem Zylinderblock
sein kann, und einer Injektorsteuerkammer 44 angeordnet,
die am hinteren Ende der Ventilnadel angeordnet ist. Eine Fläche der Ventilnadel 38 ist
Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 44 ausgesetzt, sodass
Kraftstoff in der Steuerkammer 44 eine Kraft auf die Ventilnadel 38 aufbringt,
die dazu dient, die Ventilnadel 38 gegen ihre Auflagefläche zu drängen. Die
Ventilnadel 38 ist mit einer Nadelfeder 46 versehen,
die in der Steuerkammer 44 untergebracht ist und auch dazu
dient, die Nadel 38 in ihre geschlossene oder aufliegende
Stellung zu drängen.
Das Kraftstoffzufuhrmittel nimmt die Form einer Transferpumpe 42 an,
um Kraftstoff mit einem relativ niedrigen Druck, typischerweise
zwischen 3 und 7 bar, dem Strömungspfad 40 zuzuführen.
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Die
Einspritzdüse 34 umfasst
eine Abgabekammer 48, die Kraftstoff mit einem einspritzbaren Druckniveau
durch den Zufuhrdurchgang 12a aufnimmt und von wo Kraftstoff
den Einspritzdüsenauslässen zugeführt wird,
wenn die Ventilnadel 38 nicht aufliegt. Man wird durch
einen Vergleich von 1 und 6 verstehen,
dass der Hochdruckzufuhrdurchgang 12a zwischen der Einheitspumpe 10a und ihrem
Injektor 14a in 1 dem identisch numerierten
Durchgang in 6 hydraulisch äquivalent
ist. Man wird nun auch verstehen, dass der in 6 zwischen
der Transferpumpe 42 und dem Injektor 10a identifizierte
Strömungspfad 40 in 1 nicht
gezeigt ist, sondern z. B. durch eine Galerie oder Kraftstoffleitung
in dem Zylinderkopf oder Block des Motors verlaufen kann.
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Das
Düsensteuerventil 36 ist
zwischen einer ersten Stellung (offen) und einer zweiten Stellung (geschlossen)
bewegbar. Wenn das Düsensteuerventil 36 geöffnet ist,
steht der Zufuhrdurchgang 12a mit der Steuerkammer 44 des
Injektor in Verbindung, sodass Hochdruckkraftstoff in der Kammer 44 in Kombination
mit Nadelfeder 46 auf die Ventilnadel 38 wirkt,
um die Ventilnadel 38 aufliegen zu lassen. Wenn das Düsensteuerventil 36 geschlossen
ist, steht die Steuerkammer 44 mit der Transferpumpe 42 in
Verbindung, und die Verbindung zwischen dem Zufuhrdurchgang 12a und
der Steuerkammer 44 ist unterbrochen, sodass der Kraftstoffdruck
in der Steuerkammer 44 reduziert ist, der auf die Ventilnadel wirkt.
Durch Schließen
des Düsensteuerventils 36 wird
also bewirkt, dass sich die Ventilnadel 38 aufgrund des
Hochdruckkraftstoffs anhebt, der auf die Ventilnadeldruckflächen wirkt,
die einem Kraftstoffdruck in der Abgabekammer 48 ausgesetzt
sind. Der Betrieb des Düsensteuerventils 36 zum
Steuern des Kraftstoffdrucks in der Steuerkammer 44 sieht
deshalb ein Mittel vor, um die Ventilnadelbewegung zu ihrer Auflagefläche und
davon weg zu steuern, um die Einspritzung zu steuern.
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6 zeigt
auch die zweite Kraftstoffleitung 20 und den Kraftstoffleitungsdrucksensor 28 (wie
in 1 gezeigt). Die Verbindung zwischen der zweiten Kraftstoffleitung 20 und
der Pumpenkammer 52 wird mittels eines elektrisch steuerbaren
Ventils in Form eines Kraftstoffleitungssteuerventils 58 gesteuert, das
zu der Einheitspumpe 10a gehört.
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Jede
Einheitspumpe (z. B. 10a) hat ein Pumpenelement oder einen
Plunger 50 und eine Pumpenkammer 52 in Verbindung
mit einem Ende des Zufuhrdurchgangs 12a. Der Plunger 50 ist
in einer Plungerbohrung 54, die in einem (nicht identifizierten)
Einheitspumpengehäuse
vorgesehen ist, unter dem Einfluss einer (in 6 nicht
gezeigten) Nockenantriebsanordnung bewegbar, um Kraftstoff in der
Pumpenkammer 52 unter Druck zu setzen. Die Plungerbohrung 54 ist
mit einer inneren Nut 55 oder einem Bereich mit erweitertem
Durchmesser versehen, der dazu dient, Leckagekraftstoff aus der
Pumpenkammer 52 die Plungerbohrung hinab einzu sammeln,
und zu einer Niederdruckableitung drainiert, was im einzelnen später beschrieben
wird.
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Die
Pumpenkammer 52 steht auch mit der Transferpumpe 42 über einen
Zufuhrdurchgang in Verbindung, der hydraulisch äquivalent zu der ersten Kraftstoffleitung 18 ist.
Dieser Zufuhrdurchgang oder die erste Kraftstoffleitung 18 ist
mit einem hydraulisch betätigbaren
Rückschlagventil 56 versehen,
das mit einer Rückschlagventilfeder 57 versehen
ist, und nimmt im Gebrauch Kraftstoff mit relativ niedrigem Druck
von der Transferpumpe 42 auf. Wenn sich das Rückschlagventil 56 in
seiner offenen Stellung befindet, kann die Transferpumpe 42 der
Pumpenkammer 52 über
die erste Kraftstoffleitung 18 Kraftstoff mit einem relativ
niedrigen Druck zuführen.
Wenn sich das Rückschlagventil 56 in
der geschlossenen Stellung befindet, ist der Verbindungspfad zwischen
der Pumpenkammer 52 und der ersten Kraftstoffleitung 18 und
demnach der Transferpumpe 42 abgesperrt.
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Die
Konstruktion der Einheitspumpe 10a ist in 7 und 8 weiter
im einzelnen gezeigt. Die Einheitspumpe 10a umfasst ein
Einheitspumpengehäuse 60,
das mit der Bohrung 54 versehen ist, in welcher sich der
Plunger 50 bewegt und in welcher die Pumpenkammer 52 definiert
ist. Der Plunger 50 hat eine zugehörige Plungerrückstellfeder 62 und
ein Stößelantriebselement 64 (auch
in 1 als 64a–64f identifiziert),
wie dies in einer bekannten EUP üblich ist.
Der Stößel 64 wirkt
mit einer Rolle 66 zusammen, die über die Oberfläche der
Nocke fährt,
sodass dem Stößel 64 und
somit dem Plunger 50 ein Antrieb verliehen wird, um einen
Plungerpumphub durchzuführen,
während
dessen der Plunger 50 in der Bohrung 54 nach innen
getrieben wird, um das Volumen der Pumpenkammer 52 zu reduzieren.
Die Plungerrückstellfeder 62 und
dient dazu, einen Rückhub
des Plungers 50 anzutreiben, während dessen der Plunger 50 aus
der Bohrung 54 nach außen
gedrängt wird,
womit das Volumen der Pumpenkammer 52 erhöht wird.
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Das
Kraftstoffleitungssteuerventil 58 und das Rückschlagventil 56 sind
angrenzend aneinander in einem Kraftstoffleitungssteuerventilgehäuse 59 untergebracht,
das am oberen Ende der Einheitspumpe 10a angeordnet ist.
Das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 ist mittels einer
elektromagnetischen Stellgliedanordnung betätigbar, die eine erregbare
Wicklung 62 und einen (nicht identifizierten) Anker umfasst,
die mit dem Kraftstoffleitungssteuerelement 64 gekoppelt
sind, sodass die Erregung und Aberregung der Wicklung 62 eine
Bewegung des Kraftstoffleitungssteuerventilelements 64 bewirkt,
um das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 zu öffnen und
zu schließen.
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Die
Pumpenkammer 52 steht mit einem Auslassdurchgang 72 in
Verbindung, der durch eine Bohrung definiert ist, die in dem Einheitspumpengehäuse 60 vorgesehen
ist und ihrerseits mit dem Zufuhrdurchgang 12a über einen
Hochdruckkreis 76 in Verbindung steht, der in den verschiedenen
Gehäuseteilen
vorgesehen ist. Der Auslassdurchgang 72 steht auch mit
einem Kraftstoffleitungskreis 74 in Verbindung, der durch
Bohrungen in verschiedenen Gehäuseteilen
definiert ist, in Abhängigkeit
von der Stellung des Kraftstoffleitungssteuerventils 58.
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Das
Kraftstoffsystem kann eine Einspritzung mit ersten und zweiten einspritzbaren
Druckniveaus bereitstellen, in Abhängigkeit von dem Betriebszustand
des Kraftstoffleitungssteuerventils 58. In einem ersten
Betriebsmodus arbeitet das System in einem Common-Rail-Modus, in
welchem die Plungerbewegung einen minimalen oder keinen Effekt auf
das Druckniveau in der Pumpenkammer 52 hat, da das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 offen
ist, und Kraftstoff mit dem ersten, mäßigen Kraft stoffleitungsdruck,
der in der zweiten Kraftstoffleitung 20 gespeichert wird,
wird zu dem Injektor 14a abgegeben. In einem zweiten Betriebsmodus
arbeitet das System in einem EUP-Modus, in welchem die Plungerbewegung
das Druckniveau auf ein zweites, höheres Niveau erhöht, da das
Kraftstoffleitungssteuerventil 58 geschlossen ist, und
Kraftstoff mit diesem höheren Niveau
wird an den Injektor 14a abgegeben.
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Zur
Verdeutlichung steht dann, wenn das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 geöffnet ist,
die Pumpenkammer 52 der Einheitspumpe 10a mit
der zweiten Kraftstoffleitung 20 über den Kraftstoffleitungskreis 74 und
auch mit dem Zufuhrdurchgang 12a in Verbindung. Wenn das
Kraftstoffleitungssteuerventil 58 geschlossen ist, ist
der Verbindungspfad (d. h. der Kraftstoffleitungskreis 74)
zwischen der Pumpenkammer 52 und der zweiten Kraftstoffleitung 20 unterbrochen
und statt dessen steht die Pumpenkammer 52 nur mit dem
Zufuhrdurchgang 12a in Verbindung (über den Hochdruckkreis 76).
Die Aktivierung und Deaktivierung des Kraftstoffleitungssteuerventils 58 wird
mittels Steuersignalen gesteuert, die von der ECU geliefert werden.
Der Betriebszustand des Düsensteuerventils 36 bestimmt,
ob die Einspritzung stattfindet und liefert damit ein Steuermittel
für das
Timing des Beginns und der Beendigung einer Einspritzung.
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Nun
werden verschiedene Betriebsmodi des Kraftstoffsystems insbesondere
unter Bezug auf 6 bis 8 beschrieben.
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Im
Gebrauch dehnt sich während
eines Rückhubs
des Plungers 50 das Volumen der Pumpenkammer 52 aus,
und bei geschlossenem Kraftstoffleitungssteuerventil 58 wird
ein Punkt erreicht, an dem sich das Rückschlagventil 56 öffnet, um
zu ermöglichen,
dass Kraftstoff der Pumpenkammer 52 zugeführt wird.
Zu Beginn des Plungerpumphubs ist das Rückschlagventil 56 noch
offen. Wenn der angetriebene Stößel 64 auf
den Plunger 50 wirkt, wird er nach innen in der Bohrung 54 gedrängt, wodurch
das Volumen der Pumpenkammer 52 reduziert wird. Bei geschlossenem
Kraftstoffleitungssteuerventil 58 bewirkt die Bewegung
des Plungers 50 über
den Pumphub, dass der Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 52 erhöht wird.
Wenn die Druckdifferenz über
das Rückschlagventil 56 zunimmt,
wird aufgrund des zunehmenden Kraftstoffdrucks in der Pumpenkammer 52,
der in Kombination mit der Ventilfeder 57 wirkt, ein Punkt
erreicht, an dem bewirkt wird, dass sich das Rückschlagventil 56 schließt. Die
weitere Bewegung des Plungers 50 durch den Pumphub bewirkt,
dass der Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 52 weiter ansteigt,
bis zu dem Zeitpunt, wo das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 geöffnet wird,
um zu ermöglichen,
dass unter Druck gesetzter Kraftstoff mit einem ersten Druckniveau
die zweite Kraftstoffleitung 20 füllt.
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Während dieses
ersten Betriebsmodus ist das Druckniveau (als das erste Druckniveau
bezeichnet), auf das Kraftstoff in der Pumpenkammer 52 unter
Druck gesetzt wird, höher
als der von der Pumpe 42 gelieferte Transferdruck, aber
typischerweise niedriger als der Druck, der durch eine Hochdruck-Common-Rail-Pumpe
erreicht werden würde. Dieses
erste Druckniveau kann beispielsweise bis zu etwa 1000 bar betragen.
Wenn das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 während des
Zeitraums geöffnet
wird, über
den das Rückschlagventil 56 geschlossen
ist, wird Kraftstoff mit dem ersten einspritzbaren Druckniveau über den
Auslassdurchgang 72 und den Kraftstoffleitungskreis 74 der
zweiten Kraftstoffleitung 20 zugeführt. Kraftstoff mit diesem
ersten einspritzbaren Druckniveau füllt auch den Zufuhrdurchgang 12a durch
die Bohrung 76 und führt
somit Kraftstoff mit dem ersten einspritzbaren Druckniveau der Einspritzdüse 34 zu.
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Die
fortgesetzte Plungerbewegung über
diesen Pumpzyklus bewirkt, dass Kraftstoff mit dem ersten Druckniveau
der Pumpenkammer 52 zugeführt und daraus durch das offene
Kraftstoffleitungssteuerventil 58 gezogen wird, wobei die
Einheitspumpen 10a–10b auf
eine phasengesteuerte zyklische Weise betätigbar sind, sodass das Kraftstoffvolumen,
das von einer Pumpenkammer 52 einer Einheitspumpe verdrängt und
während
ihres Pumphubs der zweiten Kraftstoffleitung 20 zugeführt wird,
mit dem Kraftstoff in der zweiten Kraftstoffleitung 20 zusammenfällt, der der
Pumpenkammer 52 einer anderen Einheitspumpe während ihres
Rückhubs
zugeführt
wird, sodass das Kraftstoffleitungskraftstoffvolumen aufrechterhalten
wird.
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Um
Kraftstoff mit dem ersten einspritzbaren Druckniveau einzuspritzen,
wird das Düsensteuerventil 36 betätigt, um
es in seine geschlossene Stellung zu bewegen, sodass Kraftstoff
in der Steuerkammer zu der Transferpumpe 42 zurückkehren kann,
deshalb darf sich die Ventilnadel 38 öffnen. Die Einspritzung kann
abgeschlossen werden, indem das Düsensteuerventil 36 in
seine offene Stellung bewegt wird, sodass in der Steuerkammer 44 wieder
ein hoher Kraftstoffdruck erzeugt wird, um die Nadel 38 aufliegen
zu lassen.
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Wenn
das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 während des Plungerpumphubs geschlossen
ist (d. h. bei geschlossenem Rückschlagventil 56),
wird der Kraftstoffdruck in der Pumpenkammer 52, der während des
Beginns des Pumphubs bei etwa 1000 bar gehalten wird, während des
Pumphubs des Plungers 50 auf ein zweites Druckniveau erhöht, das
höher als das
erste ist, da der Kraftstoff nicht mehr in die und aus der zweiten
Kraftstoffleitung 20 strömen kann. Typischerweise kann
dieser zweite einspritzbare Druck zwischen 2000 und 3000 bar liegen.
Bei geschlossenem Kraftstoffleitungssteuerventil 58 geschlossen
ist, wird die Einspritzung mit dem zweiten einspritzbaren Druckniveau
eingeleitet, indem das Düsensteuerventil 36 betätigt wird,
um die Steuerkammer mit der Transferpum pe 42 in Verbindung
treten zu lassen, wie dies vorher beschrieben wurde. Auf ähnliche
Weise kann die Beendigung der Einspritzung mit dem zweiten einspritzbaren
Druckniveau implementiert werden, indem das Düsensteuerventil 36 betätigt wird,
um in der Steuerkammer 44 wieder einen hohen Kraftstoffdruck
herzustellen.
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Um
die zweite Kraftstoffleitung 20 nach einem Einspritzereignis
wieder zu füllen,
ist das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 während des
Plungerrückhubs
geschlossen. Wenn sich der Plunger aus der Pumpenkammer 52 zurückzieht,
womit das Pumpenkammervolumen erhöht wird, bewirkt der Druckabfall über das
Rückschlagventil 56,
dass es sich öffnet,
womit eine Zufuhr von neuem Kraftstoff in die Pumpenkammer 52 ermöglicht wird,
die für
den nächsten
Pumpzyklus bereit ist.
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Man
wird verstehen, dass dann, wenn das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 während des
Pumphubs geöffnet
ist, das Rückschlagventil 56 geschlossen
bleibt, da der Druck in der Pumpenkammer 52 höher als
der Transferdruck ist.
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Man
wird verstehen, dass das Timing des Betriebs des Kraftstoffleitungssteuerventils 58 von großer Bedeutung
ist, um zu gewährleisten,
dass Kraftstoff in der Pumpenkammer 52 auf das zweite Druckniveau
zur erforderlichen Zeit unter Druck gesetzt wird (d. h. durch Schließen des
Kraftstoffleitungssteuerventils 58), und auch zu gewährleisten, dass
der Pumpenkammer 52 von der Pumpe 42 nach einem
Einspritzereignis Kraftstoff zugeführt wird. In der Praxis werden
die Dauer, über
die das Ventil 58 offen ist, und das relative Timing seines Öffnens und Schließens durch
Steuersignale gesteuert, die von dem Motor-Controller nach Nachschlagetabellen oder
Datenspeicherabbildern bereitgestellt werden, die vorgespeicherte
Informationen enthalten. Die Implementierung von Nach schlagetabellen
und Datenspeicherabbildern zur Steuerung der Motorkraftstoffversorgung
und des Timings wäre
einem Fachmann auf diesem technischen Gebiet vertraut.
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Ein
weiteres Merkmal des Kraftstoffsystems von 1 bis 7 liegt
darin, dass dann, wenn erwünscht
wäre, den
Druck von Kraftstoff zu reduzieren, der in der zweiten Kraftstoffleitung 20 gespeichert
ist, das Druckentlastungsventil 30 geöffnet werden kann, um zu ermöglichen,
dass Kraftstoff in der zweiten Kraftstoffleitung 20 in
die erste Kraftstoffleitung 18 mit niedrigerem Druck durch
die Rückführbohrung 32 strömt (wie
in 3 gezeigt).
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Einspritzereignis, das
eine Voreinspritzung von Kraftstoff mit einem ersten, mäßigen Druckniveau,
gefolgt von einem Haupteinspritzereignis mit einem zweiten, höheren Druckniveau,
erreicht werden kann, indem das Kraftstoffleitungssteuerventil 58 geschaltet
wird. Man hat herausgefunden, dass diese Kombination aus einer Voreinspritzung,
gefolgt von einer Haupteinspritzung von Kraftstoff, einen Vorteil
für Emissionsniveaus
und Geräusche
liefert. Das Kraftstoffsystem kann auch dazu verwendet werden, eine
Haupteinspritzung von Kraftstoff mit einem höheren Druckniveau, gefolgt
von einer späten
Nacheinspritzung von Kraftstoff mit einem niedrigeren Druckniveau,
zu implementieren. Dies kann für
Nachbehandlungszwecke nützlich
sein. Eine stiefelförmige
Einspritzcharakteristik, die eine anfänglich höhere Kraftstoffeinspritzrate
aufweist, auf die unmittelbar eine Einspritzung mit niedriger Rate
folgt, läßt sich
auch durch ein rasches Schalten des Kraftstoffleitungssteuerventils 58 und
des Düsensteuerventils 36 erreichen,
wenn dies angebracht ist.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Anordnung der
ersten Kraftstoffleitung 18 zu der zweiten Kraftstoffleitung 20 nützliche
Merkmale zum Kühlen
der zweiten Kraftstoffleitung liefert, da kühlerer Kraftstoff mit niedrigem
Druck (d. h. mit Transferdruck) in der ersten Kraftstoffleitung 18 einen Kühleffekt
für Kraftstoff
mit höherem
Druck in der zweiten Kraftstoffleitung 20 liefert. Bei
einer alternativen (nicht veranschaulichten) Ausführungsform
kann die Kraftstoffleitungs-/Pumpenanordnung auch mit Mitteln versehen
sein, um Kraftstoffdruck in der ersten Kraftstoffleitung 18 einem
Niederdruckablauf zuzuführen,
wodurch der Kühleffekt
der ersten Kraftstoffleitung weiter verbessert wird. Beispielsweise kann
eine zusätzliche
Zufuhrbohrung oder ein Durchgang in dem Kraftstoffleitungsgehäuse 22 vorgesehen
sein, die an einem Ende mit der ersten Kraftstoffleitung 18 in
Verbindung steht und am anderen Ende mit dem Niederdruckablauf in
Verbindung steht.
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Ein
weiterer Nutzen ist dadurch erreicht, dass die hydraulische Verbindung
zwischen den ersten Kraftstoffleitungen und der Einheitspumpe 10a in dem
Kraftstoffleitungsgehäuse 22 liegt.
Deshalb ist der Bedarf an zusätzlichen
Rohrleitungen, zusätzlichen
Verbindungen und zusätzlichen
Sitzen vermieden. Ebenso ist es ein Vorteil, dass die hydraulische Verbindung
zwischen der zweiten Kraftstoffleitung 20 und der Einheitspumpe 10a in
der Kraftstoffleitungs-/Pumpenanordnung an der Grenzfläche zwischen
dem Einheitspumpengehäuse 60 und
dem Kraftstoffleitungsgehäuse 22 liegt
(wie in 8 zu sehen ist), und so ist
auch hier der Bedarf für
externe Hochdruckverbindungen und Dichtungen vermieden.
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Die
Kraftstoffleitungsanordnung 16 ist auch einfach und bequem
herzustellen und zusammenzubauen. Ist das Kraftstoffleitungsgehäuse 22 bearbeitet
worden, um die Öffnungen 24a–24f vorzusehen, wird
jede Einheitspumpe 10a–10f in
ihrem voll zusammengebauten Zustand jeweils in eine der Öffnungen 24a–24f eingeführt, um
die erforderlichen Verbindungen zwischen den Pumpenkammern und den
Kraftstoffleitungen 18, 20 herzustellen. Wenn
die Einheitspumpen 10a–10f in
die Öffnungen 24a–24f eingeführt sind,
werden dann geeignete Befestigungsmittel durch die Bolzenlöcher eingeführt, um die
Einheitspumpen 10a–10f an
ihrer Stelle zu sichern.
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Bei
einer weiteren Modifizierung an der vorher beschriebenen kann ein
drittes Kraftstoffleitungsvolumen in dem Kraftstoffleitungsgehäuse 22 vorgesehen
sein. Das dritte Kraftstoffleitungsvolumen kann angrenzend an die
ersten und zweiten Kraftstoffleitungen 18, 20 oder
in einer Anordnung nebeneinander angeordnet sein und derart angeordnet
sein, dass es durch eine zusätzliche
Bohrung in der Einheitspumpe mit der Plungerleckagenut 55 in
Verbindung steht.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung zu der vorher beschriebenen kann der Injektor 14a–14f,
der jeder Einheitspumpe 10a–10f zugehörig ist,
selbst zu der Einheitspumpe 10a–10f (d. h. in einem
gemeinsamen Gehäuse)
in einer EUI-Anordnung gehören.
Der EUI hat ein erstes Injektorende, an welchem der Injektor angeordnet
ist, und ein gegenüberliegendes
Pumpenende, an dem die Pumpenelemente angeordnet sind. Man wird
verstehen, dass entweder das Injektorende des EUI oder das Pumpenende
des EUI in die jeweilige Öffnung 24a–24f eingeführt sein
kann, um die Einheit in der Kraftstoffleitungsanordnung 16 anzubringen.
Wie vorher ist die Einheitspumpe, die den Injektor umfasst, in ihrer
jeweiligen Öffnung 24a–24f angebracht, sodass
ihre Pumpenkammer mit der Pumpenkammer jedes EUI an einem Punkt
in dem Speichergehäuse 22 in
Verbindung steht.
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Man
wird verstehen, dass die vorher beschriebene Ausführungsform
der Erfindung zwar ein Kraftstoffleitungssteuerventil 58 umfasst,
um zu ermöglichen,
dass das System zwischen ersten und zweiten einspritzbaren Druckniveaus
schaltet, aber ein Kraftstoffleitungsventil 58, das auf
diese Weise arbeitet, nicht ein wesentliches Element der Erfindung
ist. Die ersten und zweiten Kraftstoffleitungen 18, 20 können vorgesehen
sein, um die oben erwähnten
Vorteile in einem EUP-Speicher-System zu ergeben, selbst wenn das
System konfiguriert ist, um eine Kraftstoffeinspritzung mit nur
einem einspritzbaren Druckniveau zu ermöglichen.