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Stand der Technik
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Aus
der
DE 10 2006 019 736 ist
ein Piezoinjektor mit direkter Betätigung eines Schließelements bekannt.
Bei diesen direkt gesteuerten Piezoinjektoren entfällt
der hydraulische Koppler zwischen Piezoaktor und Düsennadel.
Dadurch werden die Herstellungskosten reduziert. Außerdem
verringert sich der Bauraumbedarf für den Piezoinjektor
deutlich, was bei modernen Motorenkonstruktionen einen erheblichen
Vorteil darstellt.
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Bei
diesen sogenannten direktgesteuerten Piezoinjektoren ist eine mechanische
Temperaturkompensation vorhanden, welche die temperaturbedingten
Längenänderungen des Injektors größtenteils
kompensieren. Diese mechanische Temperaturkompensation macht sich
die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener
Werkstoffe zunutze. Allerdings ist es aufgrund der werkstoffabhängigen
Wärmedehnungskoeffizienten und der konstruktionsbedingt
vorgegebenen Abmessungen der Bauteile des Injektors zumeist nicht
möglich, eine vollständige Temperaturkompensation
zu erreichen. Dadurch ergibt sich ein gewisser Restfehler bezüglich
der Temperaturkompensation, der dazu führt, dass während
des Betriebs und abhängig von der aktuellen Betriebstemperatur
entweder das Schließelement nicht vollständig
schließt oder die Anpresskräfte des Schließelements
auf dem Ventilsitz unnötig hoch sind, was den Verschleiß am
Ventilsitz erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturkompensation
des Piezoinjektors bereitzustellen, das während des Betriebs
bedarfsabhängig und/oder regelmäßig durchgeführt
werden kann, so dass in allen Betriebszuständen ein sicheres
Schließen des Schließelements erreicht wird und
gleichzeitig die Schließkräfte nur so groß wie
nötig sind.
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Die
Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Ermittlung des Auftreffens eines Schließelements auf
einem Ventilsitz, wobei das Schließelement mindestens mittelbar
von einem piezoelektrischen Element gesteuert wird, ist dadurch gelöst,
dass das piezoelektrische Element bei geöffneter Düsennadel
so angesteuert wird, dass das Schließelement schließt,
dass der zeitliche Verlauf von Steuersignalen, wie zum Beispiel
einer elektrischen Spannung und/oder einer elektrischen Ladung am
piezoelektrischen Aktor erfasst wird, und dass durch eine Auswertung
dieser Steuersignale das Auftreffen des das Schließelements
auf dem Ventilsitz erkannt wird.
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Besonders
vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist, dass keine zusätzliche Hardware in Form von Sensoren
oder anderes mehr benötigt werden. Das Verfahren nutzt
die Tatsache aus, dass der piezoelektrische Aktor gleichzeitig als
Sensor einsetzbar ist, so dass durch die Auswertung der Spannung
des piezoelektrischen Aktors oder dessen Ladung das Auftreffen des
das Schließelements auf dem Ventilsitz erkannt werden kann.
Dies bedeutet aber auch, dass das erfindungsgemäße
Verfahren über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine
bzw. des Piezoinjektors in regelmäßigen Abständen
wiederholt werden kann, so dass eine Drift des Piezoinjektors und/oder
Verschleiß erkannt und kompensiert werden kann. Dadurch
ergibt sich ein stabiles Betriebsverhalten des Piezoinjektors über dessen
gesamte Lebensdauer, was insbesondere für die dauerhafte
Einhaltung von Emissionsgrenzwerten von großem Vorteil
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist alleine
oder zusammen mit einer mechanischen Temperaturkompensation einsetzbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für
den Einsatz in direktgesteuerten Piezoinjektoren geeignet, ohne
darauf beschränkt zu sein.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Auftreffen
des Schließelements auf dem Ventilsitz durch eine Änderung
des Gradienten, das heißt der zeitlichen Ableitung der
Aktorspannung erkannt wird. Wenn nämlich das Schließelement
auf dem Ventilsitz auftrifft, ändern sich die elektrischen
Eigenschaften des Piezoaktors und infolge dessen auch die Steigung
der Aktorspannung bei sonst gleichbleibenden Randbedingungen, wie zum
Beispiel gleichbleibendem Ladestrom.
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Weil
zwischen der Aktorspannung U, der Ladung Q und dem Ladestrom I des
piezoelektrischen Aktors ein direkter Zusammenhang besteht, kann
anstelle der Aktorspannung auch die Ladung Q oder der Ladestrom
I des piezoelektrischen Aktors zur Erfassung des Auftreffens des
Schließelements auf dem Ventilsitz ausgewertet werden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die beim Auftreffen des Schließelements
auf dem Ventilsitz am piezoelektrischen Aktor anliegende Schließspannung USchließ abgespeichert und der Bestimmung
der Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors beim Schließen
des Ventils zugrunde gelegt.
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Um
eine definierte Schließkraft des Schließelements
zu erreichen, kann zusätzlich zu der Schließspannung
USchließ noch eine Schließkraftspannung ΔU
zu der Schließspannung USchließ hinzu
addiert werden. Bei der Ermittlung der Schließkraftspannung ΔU
müssen neben der gewünschten Schließkraft
auch die mechanischen und hydraulischen Verhältnisse im
Piezoinjektor berücksichtigt werden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird, um einen definierten Öffnungszustand des
Ventils zu erreichen, die Öffnungsspannung UOffen des
piezoelektrischen Aktors durch eine die Addition einer Spannungsdifferenz
zu der Schließspannung USchließ bestimmt.
Dadurch hat das Schließelement bei geöffnetem
Ventil eine definierte Position. Die Polarität dieser Spannungsdifferenz
hängt davon ab, ob das Schließelement bei bestromtem
piezoelektrischen Aktor geschlossen ist (sogenannte inverse Bauweise)
oder bei bestromtem Aktor offen ist,
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Der
Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird auch durch ein Computerprogramm
sowie eine Regelsteuer und Regeleinrichtung zum Betreiben eines
piezoelektrischen Ventils, insbesondere eines Piezoinjektors dadurch
gelöst, dass sie nach einem der erfindungsgemäß beanspruchten
Verfahren arbeiten.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines direkt gesteuerten Piezoinjektors,
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2 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens, und
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3 den
zeitlichen Verlauf der Aktorspannung beim Schließen der
Düsennadel.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein direkt gesteuerter Piezoinjektor dargestellt, der zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Der
Kraftstoffinjektor 10 umfasst einen Injektorkörper 12 und
einen Düsenkörper 14. Der in 1 dargestellte
Kraftstoffinjektor 10 wird bevorzugt an einer Hochdruckquelle
wie z. B. einem Common-Rail-System an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt. Der Kraftstoffinjektor 10 wird von einem Druckspeicher 16 (Common-Rail),
in dem ein Systemdruck von mehr 1600 bar herrscht, mit unter hohem
Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt. Vom Druckspeicher 16 verläuft eine
Hochdruckleitung 18, die in einen Hohlraum 70 des
Injektorkörpers 12 mündet.
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An
dem einem brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 abgewandten
Ende des Kraftstoffinjektors 10 befindet sich ein glockenförmig
ausgebildetes Gehäuseteil 20 mit einem Bund 21.
Der Bund 21 ist gemäß der Darstellung
in 1 von einer Überwurfmutter 22 übergriffen.
Die Überwurfmutter 22 wird am oberen Ende mit
dem Injektorkörper 12 verbunden.
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Innerhalb
des glockenförmig ausgebildeten Gehäuses 20,
welches seinerseits durch einen Deckel 38 samt Deckelbefestigung 40 verschlossen
ist, befindet sich ein bevorzugt als Piezoaktor ausgebildetes Betätigungsorgan 24.
Innerhalb eines vom glockenförmigen Gehäuse 21 begrenzten
Hohlraumes 26 befindet sich Kraftstoff, d. h. der Piezoaktor 24 ist von
Kraftstoff umgeben. Durch die Befüllung des Hohlraums 26 wird
eine gute Wärmeleitung zwischen dem Piezoaktor 24 und
den als Kompensationselementen dienenden Teilen des Gehäuses 20 erzielt. Dazu
zählen auch ein Aktor-Widerlager 32 und ein Übertragungselement 34.
Darüber hinaus befindet sich an dem Piezoaktor 24 ein Übertragungselement 34,
das sich über eine Rohrfeder 36 an einer Planseite 48 eines
in den Injektorkörper 12 eingelassen Ventilstückes 46 abstützt.
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Neben
elektrischen Kontakten 28, die durch den Deckel 38 geführt
sind, verläuft durch den Deckel 38 auch ein niederdruckseitiger
Rücklauf 30, welcher mit dem Niederdruckbereich
des Kraftstoffeinspitzsystems – hier nicht weiter dargestellt – verbunden ist.
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An
dem Übertragungselement 34 befindet sind in der
Darstellung gemäß 1 ein Schließelement 42,
welches gemäß dieser Ausführungsvariante
Bestandteil des Übertragungselement 34 ist. Das Schließelement 42 bildet
mit der Planseite 48 des Ventilstückes 46 einen
Flachsitz 44 zur Abdichtung einer durch das Ventilstück 46 verlaufenden
Ablaufdrossel (ohne Bezugszeichen).
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Der
Darstellung gemäß 1 ist weiterhin entnehmbar,
das am Ventilstück 46 eine hülsenförmig
ausgebildete Führung 50 ausgebildet ist. Die Führung 50 umschließt
eine bevorzugt nadelförmig ausgebildete Düsennadel 60 teilweise
und stellt eine Führung der Düsennadel 60 dar.
Eine Stirnseite 62 der Düsennadel 60 begrenzt
mit der Innenseite der Führung 50 einen Steuerraum 58.
Der Steuerraum 58 wird über eine in der Wand 52 der Führung 50 ausgebildete
Zulaufdrossel 54 vom Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 mit
unter Systemdruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt.
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Die
Düsennadel 60 ist an ihrem Umfang mit einem Stützring 64 versehen,
auf welchem sich wiederum ein Federelement 66 abstützt.
Mit dem Federelement 66, welches sich wiederum an der unteren Stirnseite
der Führung 50 des Ventilstückes 46 abstützt,
wird die Ausfahrbewegung der Düsennadel 60 aus
dem durch hohen Systemdruck beaufschlagtem Steuerraum 58 unterstützt.
Darüber hinaus befinden sich am Übergang zwischen
dem Hohlraum 70 des Injektorkörpers 12 zum
Drüsenkörper 14 des Kraftstoffinjektors 10 ein
oder mehrere als Freiflächen ausgebildete Strömungskanäle 72, über
welche der unter Systemdruck stehende Kraftstoff aus dem Hohlraum 70 des
Injektorkörpers 12 in einen im Düsenkörper 14 ausgebildeten
Düsenraum 74 überströmt. Über
den Düsenraum 74, wiederum strömt der
Kraftstoff über einen Ringspalt 76 Einspritzöffnungen 80 zu.
Mit dem Bezugzeichen 78 ist die Spitze der Düsennadel 60 bezeichnet.
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Der
in 1 innerhalb des hülsenförmigen Gehäuses 20 aus
Invar angeordnete Pizeoaktor 24 wird invers betrieben.
Dies bedeutet, dass der Piezoaktor 24 im Ruhezustand des
Kraftstoffinjektors 10 aufgeladen ist und seine nominale
Längenausdehnung annimmt. Zum Auslösen eines Einspritzvorganges
wird der Piezoaktor 24 über die elektrischen Kontakten 28 entladen
und zieht sich zusammen. Dadurch führt das Schließelement 42 eine
Hubbewegung aus, bis es die gewünschte Offenstellung (H
= HOffen) erreicht hat.
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Durch
eine geeignete Werkstoffauswahl bei dem hülsenförmigen
Gehäuse 24, dem Aktorwiderlager 32 an
der Unterseite des Deckels 38 sowie des Übertragungselements 34 werden
eine sehr gute mechanische Temperaturkompensation und eine sehr
geringe Bauhöhe erreicht.
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Um
die in 1 dargestellte Position des Schließelements 42 zu
erreichen, wird der Piezoaktor 24 mittels der elektrischen
Kontakte 28 aufgeladen. Dadurch dehnt sich der Piezoaktor 24 in
Längsrichtung aus und das Schließelement 42 wird
dichtend an die Planseite 48 des Ventilstücks 46 gepresst.
Dadurch ist die Ablaufdrossel im Ventilstück 46 verschlossen.
Im Steuerraum 58 herrscht der über die Zulaufdrossel 54 anstehende
Systemdruck. Dadurch ist die Stirnseite 62 der Düsennadel 60 mit
Systemdruck beaufschlagt und die Spitze 78 der Düsennadel 60 wird
in ihren hier nicht näher dargestellten Sitz gepresst,
so dass die Einspritzöffnungen 80 am brennraumseitigen
Ende der Düsennadel 60 verschlossen sind.
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Zum
Einleiten eines Einspritzvorganges wird der im Ruhestand des Kraftstoffinjektors 10 aufgeladene
Piezoaktor 24 über die elektrischen Anschlüsse 28 entladen.
Aufgrund dieser Entladung zieht sich der Piezoaktor 24 in
axialer Richtung zusammen, das Schließelement 42 hebt
vom Ventilsitz 44 ab und die Düsennadel 60 öffnet
die Spritzlöcher 80. Dieser damit verbundene Hub
des Schließelements 42 ist in 1 mit
Hoffen bezeichnet. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit ist der Hub stark vergrößert.
Bei realen Piezoinjektoren beträgt der Hub deutlich weniger
als 1 mm.
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Unterstützt
durch die Rohrfeder 36 fährt das Übertragungselement 34 in
vertikale Richtung nach oben, so dass das Schließelement 42 die
Ablaufdrossel im Ventilstück 46 freigibt. Dadurch
kann die Steuermenge aus dem Steuerraum 58 in den Hohlraum 26 in
Richtung des niederdruckseitigen Rücklaufs 30 abströmen,
so dass die Düsennadel 60 in den druckentlasteten
Steuerraum 58 einfährt. Über den Hohlraum 70,
die als Freiflächen ausgebildeten Strömungskanäle 72 strömt
in den Düsenraum 74 eintretender, unter Systemdruck
stehender Kraftstoff entlang des Ringspaltes 76 den offen
stehenden Einspritzöffnungen 80 zu, so dass Kraftstoff
in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
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Um,
ausgehend von der Offenstellung (nicht dargestellt) des Schließelements 42 und
der zugehörigen Spannung UOffen des
Piezoaktors 24, erneut die in 1 dargestellte
Schließstellung einnehmen zu können, muss der
Piezoaktor 24 soweit aufgeladen werden, bis er eine Schließspannung
USchließ erreicht hat.
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Der
Abstand zwischen dem Ventilstück 46 und dem Deckel 38 ändert
sich in Abhängigkeit der Betriebstemperatur des Ventils 42, 44 und
der den Piezoaktor 24 umgebenden Bauteile, weil eine vollständige
mechanische Temperaturkompensation nicht möglich ist.
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Die
verbleibenden temperaturbedingten Längenänderungen
können mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens durch die gezielte Beeinflussung der Ansteuerspannung
USchließ kompensiert werden. Wenn
nämlich die Ansteuerspannung UAnsteuer erhöht wird,
nimmt die Länge des Piezoaktors 24 in axialer Richtung
zu, so dass temperaturbedingte und/oder verschleißbedingte
Längenänderungen kompensiert werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand des
in 2 beispielhaft dargestellten Ablaufdiagramms näher
erläutert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren beginnt bei geöffnetem
Schließelement 42, d. h. der Hub H ist gleich
Hoffen. Die Aktorspannung UAktor ist
gleich Uoffen (siehe 3). In einem
ersten Funktionsblock 102 wird der Piezoaktor 24 vorzugsweise
mit einem konstanten Ladestrom I geladen. In Folge dessen nimmt die
Aktorspannung UAktor zu. Gleichzeitig wird
der zeitliche Verlauf der Aktorspannung UAktor erfasst. Das
Ergebnis dieser Erfassung ist eine Kennlinie 104, in der
die Aktorspannung UAktor über der
Zeit aufgetragen ist.
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In
einem zweiten Funktionsblock 106 wird diese Kennlinie 104 ausgewertet
und beispielsweise auf Änderungen des Gradienten untersucht.
Sobald das Schließelement 42 auf dem Ventilsitz 44 auftrifft, wird
die Längenänderung des Piezoaktors 24 behindert
und es ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Piezoaktors 24.
Unter anderem ändert sich die Kapazität C des
Piezoaktors 24, wenn dessen Ausdehnung behindert wird.
Infolge dessen ändert sich auch die Zunahme der Aktorspannung
UAktor bei konstantem Ladestrom. Diese Änderung
der Zunahme der Aktorspannung UAktor schlägt
sich in der erwähnten Änderung des Gradienten
dU/dt (siehe 3 unten) der Kennlinie 104 nieder.
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In
einem dritten Funktionsblock 108 erfolgt die Auswertung
der Kennlinie 104, die Gradientenbildung und die Erfassung
des Zeitpunkts in dem die Düsennadel 42 auf dem
Ventilsitz 44 aufliegt (siehe t = t2 in 3).
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Nachdem
der Zeitpunkt (t = t2) des Auftreffens der Düsennadel 42 auf
dem Ventilsitz 44 und bekannt ist, wird ein dem dritten
Funktionsblock 108 die zum Zeitpunkt (t = t2) gehörende
Aktorspannung USchließ aus der
Kennlinie 104 ausgelesen und abgespeichert. Diese Spannung
USchließ ist die Spannung, die
benötigt wird, um das Schließelement 42 auf
dem Flachsitz 44 aufzusetzen, und steht nun für
die Ansteuerung des Piezoaktors 24 als Parameter zur Verfügung.
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Falls
gewünscht, kann bei der Ansteuerung des Piezoaktors 24 zusätzlich
noch eine definierte Schließkraft FSchließ eingestellt
werden, in dem zu der Spannung USchließ noch
eine Schließkraftspannung ΔU addiert wird (Nicht
dargestellt in 3).
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Damit
ist das erfindungsgemäße Verfahren beendet und
es ist gewährleistet, dass das Schließelement 42 sicher
und mit definierte Schließkraft auf dem Ventilsitz 44 aufliegt,
wenn der Piezoaktor 24 auf die erfindungsgemäß ermittelte
Aktorspannung USchließ geladen
wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann regelmäßig
wiederholt werden, beispielsweise nach Erreichen einer bestimmten
Betriebsdauer und/oder beim Auftreten von Temperatur- oder Laständerungen.
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In 3 ist
der Zusammenhang zwischen der Kennlinie 104, deren Gradienten
dU/dt (siehe die Linie mit dem Bezugszeichen 110) aufgetragen.
Aus dem Sprung in der Linie 110 kann der Zeitpunkt des Auftreffens
der Düsennadel 42 auf dem Ventilsitz 44 (t
= t2) einfach und zuverlässig bestimmt werden. In Kenntnis
dieses Zeitpunkts (t = t2) kann mit Hilfe der Kennlinie 104 die
Ansteuerspannung USchließ 104 bestimmt
und abgespeichert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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