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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Startsysteme für Verbrennungsmotoren und im Spezielleren ein/e Startvorrichtung und -verfahren für einen Verbrennungsmotor zum Starten eines Verbrennungsmotors, der keinen Starter benötigt.
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Hintergrund der Erfindung
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Verbrennungsmotoren benötigen traditionellerweise ein Startsystem mit einem Starter, um den Motor zu starten. Wie bekannt, wird, wenn ein Benutzer einen Zündkreis betätigt, z. B., indem er einen Schlüssel dreht oder einen Zündknopf drückt, der Starter aktiviert. Bei einer Aktivierung ist die Funktion des Starters doppelt. Erstens dreht der Starter eine Kraftstoffpumpe, um Kraftstoff an den Motor bereitzustellen. Zweitens kurbelt der Starter den Motor an und erzeugt einen Sog, der ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zur Verbrennung in einen Zylinder des Motors saugt.
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Herkömmliche fremdgezündete Direkteinspritz(SIDI)-Motoren weisen ein Kraftstoffversorgungssystem auf, das eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe umfasst, die den Injektoren Kraftstoff zum Einspritzen direkt in den Brennraum des Zylinders, um verbrannt zu werden, zuführt.
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Während eines Betriebes des SIDI-Motors wird die Hochdruck-Kraftstoffpumpe während des Motorbetriebes durch den Motor angetrieben. Allerdings ist es während des Anlassens des Motors notwendig, dass der Starter anfänglich die Hochdruck-Kraftstoffpumpe dreht, um den Kraftstoff bereitzustellen, der benötigt wird, um den Motor zu starten. Hierdurch verzögert sich der Startvorgang, und es kann zu einer Erhöhung der Abgasschadstoffe kommen.
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Um den Kraftstoff unter dem erforderlichen Einspritzdruck bereitzustellen, bevor die Hochdruck-Kraftstoffpumpe einen ausreichenden Einspritzdruck aufgebaut hat, ist es aus der
US 6,234,128 B1 bekannt, einen Druckspeicher mit einem federbelasteten Kolben, der mit einer Kraftstoffverteilerleitung in Verbindung steht, vorzusehen, wobei sich der Kolben in einer Stellung des größten Druckspeichervolumens unter hoher Federspannung verriegeln und zum Starten des Motors entriegeln lässt, wodurch augenblicklich Kraftstoff unter dem erforderlichen Einspritzdruck in der Kraftstoffverteilerleitung zur Verfügung steht. Wenn der Pumpenantrieb eine ausreichende Drehzahl erreicht hat, reicht der durch die Hochdruck-Kraftstoffpumpe aufgebaute Druck aus, um die Einspritzdüsen mit Kraftstoff zu versorgen und den federbelasteten Kolben in die Verriegelungsstellung zurückzuführen. Ein Druckregelventil dient dazu, den Kraftstoffdruck auf einem vorgebbaren Soll-Druck zu halten. Drucksensoren sind dementsprechend nicht vorgesehen.
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In der
US 7,082,899 B2 ist ein Startsystem zum Starten eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors, der in einem fremdgezündeten Direkteinspritzmodus betreibbar ist, beschrieben, das in der Lage ist, ein Startverbrennungsereignis zu erzeugen, ohne den Verbrennungsmotor mittels eines Startermotors durchdrehen zu müssen. Zum Starten bestimmt ein elektronisches Steuermodul zunächst einen Zylinder, der sich in einer günstigen Startposition nach einer oberen Totpunkt-Zündstellung befindet. Das Steuermodul bewirkt dann das Einspritzen von Kraftstoff in diesen Zylinder und das Initiieren eines Zündfunkens, so dass das Luft-Kraftstoffgemisch in diesem Zylinder gezündet wird und den darin befindlichen Kolben in Richtung des unteren Totpunkts treibt. Weitere Zylinder in einer günstigen Startposition lassen sich in gleicher Weise aktivieren, bis der Verbrennungsmotor regelmäßig zündet. Das zum ersten Startverbrennungsereignis im betreffenden Zylinder befindliche Luft-Kraftstoffgemisch soll im stöchiometrischen Verhältnis stehen, ohne dass dazu nähere Angaben gemacht werden. Zwar wird stillschweigend vorausgesetzt, dass zum Einspritzen des Kraftstoffs für ein Startverbrennungsereignis ein entsprechender Kraftstoffdruck vorhanden sein muss, es ist aber nicht angegeben, wie dieser Kraftstoffdruck zur Verfügung gestellt wird. Dementsprechend sind auch keine Drucksensoren oder ein Druckregelventil erwähnt.
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Aufgabe der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund und im Hinblick darauf, dass die immer strenger werdenden Abgasbestimmungen einen möglichst schadstoffarmen Startvorgang und einen Betrieb mit möglichst geringem CO2-Ausstoß erfordern, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein System zum Starten eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors, ohne diesen mittels eines Anlassmotors durchdrehen zu müssen, vorzuschlagen, das einen hohen Einspritzdruck zur Vorbereitung des ersten Startverbrennungsereignis zur Verfügung stellt und für das erste und alle weiteren Startverbrennungsereignisse eine genaue und dynamische Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge bereitstellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 und 9 bis 12 definiert.
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Durch die Anordnung des Kraftstoffdrucksensors an der mit der Vielzahl von Injektoren in fluidtechnischer Verbindung stehenden Kraftstoffverteilerleitung und des Speicherdrucksensors am Speicher lässt sich die für das Startverbrennungsereignis erforderliche Kraftstoffmenge dynamisch regeln, indem unterschiedliche, beispielsweise durch Druckwellen in den Leitungen, durch Schwingungen des Kolben-Feder-Systems des Speichers oder durch das Anlaufen der Kraftstoffpumpe bewirkte Druckunterschiede am Kraftstoffdrucksensor und am Speicherdrucksensor bei der Festlegung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge durch das Steuermodul im Hinblick auf eine Minimierung des Schadstoffausstoßes beim Kaltstart und beim Start-Stopp-Betrieb in Echtzeit berücksichtigt werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Startsystem für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das einen Kraftstoffspeicher anstelle eines Starters umfasst.
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Es ist ein Startsystem vorgesehen, um Druckkraftstoff an einen Motor zu liefern, um den Motor ohne einen Starter zu starten. Das Startsystem umfasst einen Speicher zum Speichern von Druckkraftstoff während eines Motorbetriebes und eines Abstellens des Motors. Während eines Anlassens des Motors liefert der Speicher den gespeicherten Druckkraftstoff an den Motor, um den Motor ohne einen Starter zu starten.
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Der Speicher steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Niederdruck-Kraftstoffreservoir und dem Motor. Der Speicher umfasst ein Speichergehäuse, das einen Speicherhohlraum definiert und eine Speicherkolben- und -federanordnung umfasst, die in Längsrichtung in dem Speicherhohlraum bewegbar ist.
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Ein Solenoid, das mit dem Speicher verbunden ist, umfasst eine Klinke für einen Eingriff mit einem Hohlraum, der in dem Speicherkolben ausgebildet ist. Das Solenoid dient dazu, die Klinke selektiv in den/aus dem Hohlraum einzurücken/auszurücken, der in dem Speicherkolben ausgebildet ist, um die Speicherkolben- und -federanordnung in einer feststehenden Position zu halten bzw. die Speicherkolben- und -federanordnung freizugeben, sodass sie sich in Längsrichtung in dem Speicherhohlraum bewegt.
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Ein Ventil ist zwischen der Niederdruck-Kraftstoffversorgung und dem Speicher positioniert.
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Ein elektronisches Steuermodul (ECM) steht in elektronischer Verbindung mit dem Startsystem und dem Motor. Das ECM dient dazu, das Ventil zwischen einer offenen Stellung während eines Motorbetriebes und einer geschlossenen Stellung während eines Anlassens des Motors und beim Abstellen des Motors zu betätigen.
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Beim Zünden dient das ECM dazu, um zu ermitteln, die Zündstellung welcher Zylinder in dem Motor sich am nächsten bei jedoch nicht vor einer oberen Totpunkt-Zündstellung befindet. Nach dieser Ermittlung aktiviert das ECM das Solenoid, um die Klinke von dem Speicherkolben auszurücken, wodurch der Druckkraftstoff, der in dem Speicher gespeichert ist, in eine Hochdruck-Kraftstoffleitung zum Einspritzen in den bestimmten Zylinder des Motors gezwungen wird. Das ECM initiiert dann einen Funken in den bestimmten Zylinder, um zumindest ein Startverbrennungsereignis zu erzeugen, um den Motor ohne einen Starter zu starten.
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Die Vorteile der Eliminierung des Starters von dem Startsystem umfassen reduzierte/s Kosten für das anfängliche Startsystem, Gewicht und Komplexität. Ebenso würde die Eliminierung des Starters eine bekannte Fehlerursache beseitigen und dadurch zukünftige Servicekosten verringern und die Kundenzufriedenheit verbessern.
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Die oben stehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor und einem Startsystem, das einen Speicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2 ist eine schematische Veranschaulichung des Startsystems für den Verbrennungsmotor, die eine detaillierte Veranschaulichung des Speichers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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3 ist eine schematische Veranschaulichung des Startsystems mit dem Speicher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Anlassen des Motors;
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4 ist eine schematische Veranschaulichung des Startsystems mit dem Speicher gemäß der in 2 veranschaulichten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während eines Motorbetriebes; und
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5 ist eine schematische Veranschaulichung des Startsystems mit dem Speicher gemäß der in 2 veranschaulichten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beim Abstellen des Motors.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen in den verschiedenen Fig. gleiche Bezugsziffern durchweg gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, weist in 1 ein Fahrzeug 10 einen Motor 12 auf, der funktionell mit einem Getriebe 14 verbunden ist. Das Getriebe 14 weist ein Ausgangselement 16 in antreibender Verbindung mit einer Vielzahl von Rädern (nicht gezeigt) auf, um Leistung von dem Motor 12 auf die Räder (nicht gezeigt) zu übertragen, um das Fahrzeug 10 anzutreiben. Der Motor 12 kann ein fremdgezündeter Direkteinspritz(SIDI)-Motor sein, dessen Betrieb für den Fachmann bekannt ist. Der Motor 12 kann ein V-Motor, der Zylinderbohrungen, nicht gezeigt, aufweist, die in V-förmiger Weise angeordnet sind, oder alternativ ein Reihen-, ein Boxer-, ein W-Motor oder ein Motor mit einer anderen Bauart oder Konstruktion sein, der eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung verwendet.
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Das Fahrzeug 10 umfasst ein/en Niederdruck-Kraftstoffreservoir oder -tank 18, der eine verbrennbare Versorgung von Kraftstoff 20 wie z. B. Benzin enthält. Eine Niederdruck(LP)-Versorgungspumpe 22 ist in dem Tank 18 positioniert und dient dazu, Kraftstoff 20 durch eine Kraftstoffleitung 24 zu einer Hochdruck(HP)-Pumpenanordnung 26 zu bewegen. Die HP-Pumpenanordnung 26 dient dazu, Kraftstoff 20 schnell mit Druck zu beaufschlagen, der an die HP-Pumpenanordnung 26 durch die LP-Versorgungspumpe 22 bei z. B. ungefähr 5 bar bis z. B. ungefähr 150 bis 200 bar geliefert wird. Der Druckkraftstoff 20A wird dann durch eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 24A an eine Kraftstoff-Verteilerleitung 28 geliefert, die zumindest einen Kraftstoffdrucksensor 30 aufweist, der geeignet ist, um den Druck an der Kraftstoff-Verteilerleitung 28 zu erfassen. Von der Kraftstoff-Verteilerleitung 28 wird der Druckkraftstoff 20A durch eine Vielzahl von Kraftstoffinjektoren 28A in den Motor 12 eingespritzt.
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Ein Speicher 32 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Niederdruck-Kraftstoffreservoir 18 und der Kraftstoff-Verteilerleitung 28. Der Speicher 32 empfängt Druckkraftstoff 20A von der Hochdruck-Kraftstoffleitung 24A und speichert den Druckkraftstoff 20A während eines Motorbetriebes. Der Speicher speichert den Druckkraftstoff 20A weiterhin, wenn der Motor 12 abgestellt ist und dient dazu, den Druckkraftstoff 20A während eines Anlassens des Motors an die Vielzahl von Injektoren 28A zu liefern, wie in 3 in größerem Detail veranschaulicht.
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In der veranschaulichten Ausführungsform wird der Druckkraftstoff 20A bei einem erhöhten Druck gespeichert; alternativ kann der Druckkraftstoff 20A jedoch bei Umgebungsdruck gespeichert werden.
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Ein elektronisches/r Steuermodul (ECM) oder Controller 36 steht in elektronischer Verbindung mit dem Motor 12, dem Getriebe 14, der LP-Versorgungspumpe 22, der HP-Pumpenanordnung 26, der Kraftstoff-Verteilerleitung 28, dem Speicher 32 und einem Ventil 34 zur Steuerung und Synchronisierung der verschiedenen Startsystem- und Kraftstoffversorgungskomponenten.
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Das Ventil 34, z. B. ein Sperrventil oder ein Solenoid, dient dazu, eine Strömung von Druckkraftstoff 20A in der Hochdruck-Kraftstoffleitung 24A zu steuern. Das Ventil 34 ist während eines Motorbetriebes in einer offenen Stellung, um zuzulassen, dass Kraftstoff von dem Niederdruck-Kraftstoffreservoir 18 zu der Kraftstoff-Verteilerleitung 28 zur Lieferung an den Motor 12 durch die Vielzahl von Kraftstoffinjektoren 28A strömt. Das Ventil 34 bewegt sich beim Abstellen des Motors in eine geschlossene Stellung und bleibt in der geschlossenen Stellung, wenn der Motor 12 abgestellt ist, um zu verhindern, dass Kraftstoff von der Hochdruck-Kraftstoffleitung 24A zurück in das Niederdruck-Kraftstoffreservoir 18 strömt.
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Wie in 2 veranschaulicht, umfasst der Speicher 32 ein Speichergehäuse 38, das einen Speicherhohlraum 40 definiert. Ein Speicherkolben 42 und eine Speicherfeder 44 sind in dem Speichergehäuse 38 angeordnet. Der Speicherkolben 42 umfasst eine Tasche 50 zur Aufnahme einer Klinke 52. Ein Solenoid 54 dient dazu, die Klinke 52 selektiv einzurücken bzw. auszurücken. Wenn die Klinke 52 eingerückt ist, ist der Speicherkolben 42 in einer festen Position in dem Speichergehäuse 38 gesichert. Wenn die Klinke 52 ausgerückt ist, kann der Speicherkolben 42 sich in Längsrichtung in dem Speichergehäuse 38 bewegen.
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Während eines Motorbetriebes tritt Druckkraftstoff 20A durch eine Einlass/Auslassöffnung 56 in den Speicher 32 ein und übt eine Druckkraft P gegen eine Stirnfläche 46 des Speicherkolbens 42 aus und drückt die Speicherfeder 44 zusammen, die eine Federkraft S gegen eine hintere Fläche 48 des Speicherkolbens 42 ausübt. Der Druckkraftstoff 20A wird durch den Speicher 32 in dem Speicherhohlraum 40 gespeichert.
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Zusätzlich, um ein anfängliches Vorfüllen und einen anschließenden Betrieb zu ermöglichen, kann der Speicher 32 mit Druckkraftstoff 20A von einer äußeren Quelle 58 wie z. B. einer Kraftstoff-Füllvorrichtung an einer Montagelinie (nicht gezeigt) gefüllt werden.
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Beim Anlassen des Motors, wie in 3 veranschaulicht, befindet sich das Ventil 34 in der geschlossenen Stellung und der Speicherhohlraum 40 wird mit Druckkraftstoff 20A gefüllt. Beim Zünden dient das ECM 36 dazu, zu ermitteln, die Zündstellung welches der Zylinder 60 des Motors sich am nächsten bei jedoch nicht vor einer oberen Totpunkt-Zündstellung befindet. Das heißt, das ECM 36 bestimmt eine Ist-Zündstellung eines jeden Motorkolbens 64 in seinem jeweiligen Zylinder 60 des Motors 12. Das ECM 36 vergleicht die Ist-Zündstellung eines jeden Motorkolbens 64 mit der oberen Totpunkt-Zündstellung. Dann bestimmt das ECM 36 den Zylinder 60, dessen Ist-Zündstellung sich am nächsten bei jedoch nicht vor der oberen Totpunkt-Zündstellung befindet.
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Das ECM 36 dient dazu, auf der Basis der Ist-Zündstellung des Zylinders 60, der sich am nächsten bei der oberen Totpunkt-Zündstellung befindet, ein Luftvolumen zu ermitteln, das in dem Zylinder 60 enthalten ist, der sich am nächsten bei der oberen Totpunkt-Zündstellung befindet, und die Menge von Druckkraftstoff 20A einzustellen, die dementsprechend eingespritzt werden soll.
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Bei dieser Bestimmung aktiviert das ECM 36 das Solenoid 54, um die Klinke 52 von dem Speicherkolben 42 auszurücken, den Speicherkolben 42 freizugeben und zuzulassen, dass die Federkraft S die Druckkraft P überwindet. Der Speicherkolben 42 bewegt sich in Längsrichtung in dem Speicherhohlraum 40 und zwingt die entsprechende Menge von in dem Speicherhohlraum 40 gespeicherten Druckkraftstoff 20A in die Hochdruck-Kraftstoffleitung 24A.
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Der Druckkraftstoff 20A wird von der Hochdruck-Kraftstoffleitung 24A an einen Injektor 28A zum Einspritzen in den bestimmten Zylinder 60 des Motors 12 geliefert. Das ECM 36 initiiert einen Funken in den bestimmten Zylinder 60 über eine Zündkerze 62, um ein erstes Start-Verbrennungsereignis zu erzeugen, um den Motor 12 zu starten, ohne einen herkömmlichen Starter zu benötigen.
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Wenn der Motor 12 jedoch nach dem ersten Start-Verbrennungsereignis nicht startet, oder wenn der durch den Kraftstoffdrucksensor 30 erfasste Kraftstoffdruck nicht ausreichend ist, dient das ECM 36 dazu, auf der Basis eines Speicherdruckes, der durch einen Speicherdrucksensor 66 erfasst wird, nachfolgende Startverbrennungsereignisse zu erzeugen. Die Dauer der Einspritzung des Druckkraftstoffes 20A während der nachfolgenden Startverbrennungsereignisse, die durch das ECM 36 erzeugt werden, wird auf der Basis des erfassten Speicherdruckes eingestellt.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 öffnet das ECM 36, sobald der Motor 12 startet und ein ausreichender Kraftstoffdruck erreicht wird, wie durch den durch den zumindest einen Kraftstoffdrucksensor 30 erfassten Kraftstoffdruck bestimmt, das Ventil 34, um Druckkraftstoff 20A an den Motor 12 für einen fortgesetzten Motorbetrieb zu liefern. Gleichzeitig tritt ein Anteil des Druckkraftstoffes 20A in die Einlass/Auslassöffnung 56 ein, um den Speicherhohlraum 40 aufzufüllen. Die Druckkraft P des Druckkraftstoffes 20A, die ausreicht, um die Speicherfederkraft S zu überwinden, drückt gegen den Speicherkolben 42, bewegt den Speicherkolben 42 in Längsrichtung in dem Speicherhohlraum 40, drückt die Speicherfeder 44 zusammen und lässt zu, dass der Speicherhohlraum 40 sich mit Druckkraftstoff 20A füllt.
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Sobald der Speicherhohlraum 40 mit Druckkraftstoff 20A gefüllt ist, aktiviert das ECM 36 das Solenoid 54, um die Klinke 52 mit der Tasche 50 des Speicherkolbens 42 in Eingriff zu bringen, um den Speicherkolben 42 in einer festen Position zu halten und den Druckkraftstoff 20A in dem Speicher 32 zur Verwendung während des nächsten Anlassens des Motors zu speichern.
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Schließlich, bei einem Abstellen des Motors, wie in 5 veranschaulicht, schließt das ECM 36 das Ventil 34, um zu verhindern, dass Druckkraftstoff 20A, der in dem Speicher 32 gespeichert ist, zurück zu dem Niederdruck-Kraftstoffreservoir 18 fließt. Der Druckkraftstoff 20A wird in dem Speicher 32 gespeichert, bis ein Benutzer ein nachfolgendes Anlassen des Motors einleitet.
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Während die besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche auszuführen.
