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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors,
insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zum Betreiben eines derartigen
Injektors.
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Injektoren
der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus gängigen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen
bekannt und weisen in der Regel einen elektromechanischen Aktor
auf, um ein oder mehrere hydraulische Komponenten des Injektors
derart zu bewegen bzw. zu verstellen, dass sich innerhalb des Injektors
auf die Ventilnadel wirkende Druckverhältnisse ändern, so dass sich die Ventilnadel
unter Einwirkung der entsprechenden hydraulischen Kräfte von
ihrem Nadelsitz, der eine Ruhestellung definiert, wegbewegt. Sobald
die Ventilnadel von ihrem Nadelsitz abgehoben hat, ist sie allein
den in ihrer Umgebung vorherrschenden hydraulischen Kräften unterworfen
und vollführt
dementsprechend während
einer Einspritzdauer eine ballistische Trajektorie. Im Anschluss
an diesen ballistischen Betrieb kommt die Ventilnadel wieder in
ihrer Ruhelage in dem Ventilsitz zu liegen, wodurch die Einspritzung beendet
wird.
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Herkömmliche
Systeme sehen bereits eine Überwachung
der elektrischen Ansteuergrößen (Strom
und/oder Spannung) des in dem Injektor enthaltenen Aktors vor. Eine Überwachung
des hydraulischen Timings wird durch die herkömmlichen Systeme jedoch nicht
ermöglicht.
Insbesondere ist es mit den gängigen
Systemen daher nicht möglich,
die Verschiebung eines tatsächlichen „hydraulischen
Einspritzzeitpunkts” (Abheben
der Ventilnadel von dem Nadelsitz) bezogen auf die elektrische Ansteuerung des
Aktors zu detektieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten
Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine präzisere Diagnose des Betriebs
des Injektors und insbesondere auch die Überwachung des hydraulischen
Timings im Rahmen einer Kraftstoffeinspritzung ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
eine die während
des Einspritzvorgangs eingespritzte Kraftstoffmenge regelnde Einspritzmengenregelung
daraufhin überwacht
wird, ob eine die Einspritzmenge korrigierende Maßnahme geplant und/oder
ausgeführt
wird, und dass daraus auf einen Betriebszustand des Injektors geschlossen
wird.
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Dem
erfindungsgemäßen Betriebsverfahren liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass hydraulische Störgrößen bei dem Betrieb des Injektors
sich insbesondere auch auf den hydraulischen Einspritzzeitpunkt
auswirken. Das heißt,
die hydraulischen Störgrößen bewirken
eine Veränderung
des ansonsten für
einen vorgegebenen Aktor konstanten zeitlichen Abstands zwischen
einem Referenzzeitpunkt der elektrischen Ansteuerung und einem Referenzzeitpunkt
der Bewegung der hydraulischen Komponenten, wie beispielsweise dem
Zeitpunkt des Abhebens der Ventilnadel von dem Nadelsitz oder der
maximalen Öffnung
des Injektors.
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Während also
bei einem fehlerfreien Betrieb eines Injektors die Ventilnadel für einen
gegebenen Ansteuerzeitpunkt des Aktors stets um dieselbe Zeit verzögert zu
der Ansteuerung des Aktors aus ihrem Nadelsitz abhebt, hebt die
Ventilnadel bei dem Auftreten hydraulischer Störgrößen zu früh oder auch verspätet aus
dem Nadelsitz ab. Infolgedessen erfährt die Ventilnadel entweder
eine größere oder
kleinere „Flughöhe” während ihrer
ballistischen Bewegung, was einen direkten Einfluss auf die tatsächliche Einspritzdauer
und damit auch auf die tatsächliche Einspritzmenge
hat.
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Das
bedeutet, bei dem Vorliegen einer hydraulischen Störgröße verändert sich
beispielsweise die tatsächlich
von dem Injektor eingespritzte Kraftstoffmenge. Erfindungsgemäß wird eine,
beispielsweise in einem den Injektor steuernden Steuergerät vorgesehene,
Einspritzmengenregelung daraufhin überwacht, ob eine die Einspritzmenge
korrigierende Maßnahme
ausgeführt
wird. Dies ist den vorstehenden Überlegungen
zufolge stets dann der Fall, wenn – ausgehend von einem zunächst fehlerfreien
Betrieb – das
Auftreten einer hydraulischen Störgröße die tatsächlich eingespritzte
Kraftstoffmenge von dem zuvor ordnungsgemäß eingeregelten Wert abweichen lässt. In
diesem Fall kann unter Anwendung des erfin dungsgemäßen Prinzips
also aus dem Aktivwerden der Einspritzmengenregelung im Sinne des
Ausführens
einer die Einspritzmenge korrigierenden Maßnahme vorteilhaft auf einen
Betriebszustand des Injektors geschlossen werden, vorliegend insbesondere
auf das Auftreten der hydraulischen Störgrößen.
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Insbesondere
verschleißbedingte
Veränderungen
der hydraulischen Komponenten des Injektors, wie beispielsweise
sich verformende Ventilnadelsitze oder dergleichen sind durch das
erfindungsgemäße Verfahren
erkennbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders gut zum Einsatz bei Injektoren, bei denen
eine Ventilnadel des Injektors während
eines Einspritzvorgangs eine ballistische Trajektorie vollführt, kann
jedoch auch bei anderen Injektoren eingesetzt werden.
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Einer
weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform
zufolge sieht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren
vor, dass eine Fehlerreaktion, wie beispielsweise ein Fehlerspeichereintrag
und/oder eine akustische oder optische Signalisierung erfolgt, wenn
die erfindungsgemäß erkannte Änderung
des zeitlichen Verhaltens des Injektors beziehungsweise der Ventilnadel
vorgebbare Kriterien erfüllt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
erstmals vorteilhaft auch die Überwachung
des tatsächlichen
hydraulischen Timings einer ballistisch betriebenen Ventilnadel
und erfüllt
damit die Anforderungen der OBD(on board diagnosis)-Gesetzgebung für die zukünftigen
Modelljahre von Kraftfahrzeugen.
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Das
erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann
grundsätzlich
bei allen Injektoren eingesetzt werden, deren Ventilnadel eine ballistische
Trajektorie vollführt.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren auch bei
solchen Injektoren eingesetzt werden, deren Öffnungs- und Schließposition
jeweils durch einen den Nadelhubweg der Ventilnadel begrenzenden
Nadelhubanschlag definiert ist. In diesen Systemen kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren
nämlich
zumindest in denjenigen Betriebsbereichen angewendet werden, in
denen die Ventilnadel eine rein ballistische Trajektorie vollführt. Dies
ist insbesondere im Teillastbereich eines den Injektor enthaltenden
Kraftstoffeinspritzsystems der Fall, das heißt dann, wenn die Ventilnadel
während des
Einspritzvorgangs nicht ihren die maximale Öffnungsposition definierenden
Nadelhubanschlag erreicht.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät gemäß Patentanspruch
8 angegeben.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von deren Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1a, 1b, 1c verschiedene
Betriebszustände
eines erfindungsgemäß betriebenen Injektors,
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2 einen
zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen des Injektors aus 1a bis 1c,
und
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3 ein
vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a bis 1c zeigt
eine Ausführungsform
eines Injektors 100 eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine
in verschiedenen Betriebszuständen
eines Einspritzzyklus.
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1a zeigt
den Injektor 100 in seinem Ruhezustand, in dem er nicht
durch das ihm zugeordnete Steuergerät 200 angesteuert
wird. Eine Magnetventilfeder 111 presst hierbei eine Ventilkugel 105 in einen
hierfür
vorgesehenen Sitz der Ablaufdrossel 112, so dass sich in
dem Ventilsteuerraum 106 ein dem Raildruck entsprechender
Kraftstoffdruck aufbauen kann, wie er auch im Bereich des Hochdruckanschlusses 113 herrscht.
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Der
Raildruck steht auch in dem Kammervolumen 109 an, das die
Ventilnadel 116 des Injektors 100 umgibt. Die
durch den Raildruck auf die Stirnfläche des Steuerkolbens 115 aufgebrachten
Kräfte
sowie die Kraft der Düsenfeder 107 halten
die Ventilnadel 116 gegen eine öffnende Kraft, die an der Druckschulter 108 der
Ventilnadel 116 angreift, geschlossen.
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1b zeigt
den Injektor 100 in seinem geöffneten Zustand, den er unter
Ansteuerung durch das Steuergerät 200 auf
die folgende Weise ausgehend von dem in 1a abgebildeten
Ruhezustand einnimmt:
Der vorliegend durch die in 1a bezeichnete
Magnetspule 102 und den mit der Magnetspule 102 zusammenwirkenden
Magnetanker 104 gebildete Elektromagnet wird durch das
Steuergerät 200 mit
einem Ansteuerstrom beaufschlagt, um ein schnelles Öffnen des
Magnetventils zu bewirken. Die Magnetkraft des Elektromagneten 102, 104 übersteigt
hierbei die Federkraft der Ventilfeder 111 (1a),
so dass der Magnetanker 104 die Ventilkugel 105 von
ihrem Ventilsitz abhebt und hiermit die Ablaufdrossel 112 öffnet.
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Mit
dem Öffnen
der Ablaufdrossel 112 kann nun Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum 106 in
den gemäß 1b darüberliegenden
Hohlraum, vgl. die Pfeile, und über
einen Kraftstoffrücklauf 101 zurück zu einem
nicht abgebildeten Kraftstoffbehälter
abfließen.
Die Zulaufdrossel 114 verhindert einen vollständigen Druckausgleich
zwischen dem im Bereich des Hochdruckanschlusses 113 anliegenden
Raildruck und dem Druck in dem Ventilsteuerraum 106, so
dass der Druck in dem Ventilsteuerraum 106 sinkt. Dies führt dazu,
dass der Druck in dem Ventilsteuerraum 106 kleiner wird
als der Druck in dem Kammervolumen 109, der nach wie vor
dem Raildruck entspricht. Der verringerte Druck in dem Ventilsteuerraum 106 bewirkt
eine dementsprechend verringerte Kraft auf den Steuerkolben 115 und
führt somit
zum Öffnen des
Injektors 100, das heißt
zu dem Abheben der Ventilnadel 116 aus ihrem Ventilnadelsitz
im Bereich der Spritzlöcher 110.
Dieser Betriebszustand ist in 1b veranschaulicht.
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Anschließend, d.
h. nach dem Abheben aus dem Ventilnadelsitz, vollführt die
Ventilnadel 116 allein unter Einwirkung der hydraulischen
Kräfte
in dem Kammervolumen 119 und in dem Ventilsteuerraum 106 eine
ballistische Trajektorie.
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Sobald
der Elektromagnet 102, 104 (1a) nicht
mehr durch das Steuergerät 200 angesteuert wird,
drückt
die Ventilfeder 111 den Magnetanker 104 wie in 1c abgebildet
nach unten, so dass die Ventilkugel 105 daraufhin die Ablaufdrossel 112 verschließt. Hier durch
baut sich im Steuerraum 106 erneut der Raildruck auf. Dieser
nunmehr erhöhte Druck
in dem Steuerraum 106 übt
eine größere Kraft auf
den Steuerkolben 115 aus, die zusammen mit der Kraft der
Düsenfeder 107 die
im Bereich des Kammervolumens 109 auf die Ventilnadel 116 einwirkende
Kraft überschreitet
und die Ventilnadel 116 somit wieder in ihre Schließlage verbringt.
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Die
Kraftstoffeinspritzung ist beendet, sobald die Ventilnadel 116 ihren
Ventilnadelsitz im Bereich der Spritzlöcher 110 erreicht
und diese verschließt, vgl. 1c.
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2 zeigt
schematisch einen zeitlichen Verlauf der Betriebsgrößen Nadelhub
h, Ansteuerspannung U des Injektors 100 (1a),
wie er sich während
eines Ansteuerzyklus im Rahmen einer Kraftstoffeinspritzung ergibt.
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Zunächst wird
zu dem Zeitpunkt te0 der Elektromagnet 102, 104 (1a)
des Injektors 100 bestromt, um ein Abheben der Ventilnadel 116 aus
dem Ventilnadelsitz im Bereich der Spritzlöcher 110 zu ermöglichen.
Die Bestromung der Magnetspule 102 dauert bis zu dem Zeitpunkt
te1 gemäß 2 an.
Ab dem Zeitpunkt th0 bewegt sich die Ventilnadel 116 gemäß dem vorstehend
unter Bezugnahme auf 1a bis 1c beschriebenen
Ansteuerprinzip auf einer ballistischen Trajektorie aus ihrer Ruhelage im
Bereich der Spritzlöcher 110 heraus.
Der Zeitpunkt th0 wird daher auch als hydraulischer Ansteuerzeitpunkt
bezeichnet.
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Die
Ventilnadel 116 vollführt
infolge der elektrischen Ansteuerung zwischen den Zeitpunkten te0, te1
eine ballistische Trajektorie ab dem Zeitpunkt th0 und erreicht
ihre Ruheposition im Bereich der Spritzlöcher 110 zu dem Zeitpunkt
th1 wieder. Die Kraftstoffeinspritzung findet dementsprechend zwischen
dem Zeitpunkt th0 und dem Zeitpunkt th1 statt.
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Bei
einem idealen Injektor 100 ist der Zeitabstand th0–te0 oder
auch der Zeitabstand Δt
zwischen den Kurven U, h i. d. R. konstant. Sofern jedoch hydraulische
Störgrößen auftreten
wie z. B. eine verschleißbedingte
Verformung der beteiligten Komponenten 110, 116, ändert sich
der Zeitabstand th0–te0 und/oder
der Zeitabstand Δt.
Insbesondere kann sich in solchen Fällen auch die gesamte Einspritzdauer th1–th0 ändern und
damit auch die eingespritzte Kraftstoffmenge.
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Vorliegend
ist bei der Ansteuerung gemäß 2,
vgl. den mit einer durchgezogenen Linie veranschaulichten Verlauf
der Ansteuerspannung U, eine hydraulische Störgröße aufgetreten, mit dem Effekt,
dass sich der hydraulische Einspritzzeitpunkt von dem eigentlich
ge wünschten
Wert th0' auf den Zeitpunkt
th0 verschoben hat, und sich der durch die durchgezogenen Linie
veranschaulichte Verlauf des Ventilnadelhubs h ergibt. Infolgedessen
ist eine zu geringe Kraftstoffmenge eingespritzt worden.
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Dementsprechend
ist auch die tatsächliche maximale
Flughöhe
hmi der Ventilnadel 116 (1a) um
einen Fehlbetrag Δh
(vergleiche den Doppelpfeil in 2) geringer
als die gewünschte
maximale Flughöhe
hmi + Δh.
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Eine
in dem Steuergerät 200 (1a)
realisierte und dem Fachmann an sich bekannte Einspritzmengenregelung 210 führt infolgedessen
während
den zukünftigen
Einspritzzyklen des Injektors 100 eine oder mehrere die
tatsächliche
Einspritzmenge korrigierende Maßnahmen
aus, um die tatsächlich
eingespritzte Kraftstoffmenge an ihren seither nicht erreichten
Sollwert anzupassen.
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Bei
der die tatsächliche
Einspritzmenge korrigierenden Maßnahme handelt es sich vorliegend um
eine Frühverstellung
des Ansteuerzeitbeginns für die
Beaufschlagung der Magnetspule 102 mit der Ansteuerspannung
bzw. einem entsprechenden Strom. Dementsprechend wird für einen
nachfolgenden Ansteuerzyklus die Magnetspule 102 des Injektors 100 bereits
zu dem Zeitpunkt te0' bestromt,
und nicht erst zu dem Zeitpunkt te0. D. h. unter Einwirkung der
Einspritzmengenregelung 210 (1a) ergibt
sich für die
Ansteuergröße U der
in 2 ab dem Zeitpunkt te0' gestrichelt gezeichnete Verlauf.
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Hierdurch
verschiebt sich auch der hydraulische Ansteuerzeitpunkt th0 zeitlich
nach vorne, nämlich
vorliegend auf den Zeitpunkt th0',
so dass sich für den
Nadelhubverlauf, das heißt
die ballistische Trajektorie der Ventilnadel 116, schematisch
der in 2 durch eine gestrichelte Linie gezeigte zeitliche Verlauf
ergibt. Die Fläche
unter der gestrichelten Trajektorie, die mit der nunmehr korrigierten,
tatsächlich eingespritzten
Kraftstoffmenge korrespondiert, ist größer als bei dem vorangehenden
Einspritzzyklus und entspricht vorliegend insbesondere der gewünschten
Sollmenge.
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Das
erfindungsgemäße Betriebsverfahren sieht
in einem ersten Schritt 300, vergleiche 3, vor,
die vorstehend beschriebene die Einspritzmenge korrigierende Maßnahme der
Einspritzmengenregelung 210 des Steuergeräts 200 zu überwachen.
Dies kann beispielsweise durch einen Vergleich des tatsächlichen
elektrischen Ansteuerzeitpunkts te0' mit einem Standardansteuerzeitpunkt
te0 für
ein ideales System erfolgen. Es ist zu beachten, dass der betrachtete
Standardansteuerzeitpunkt te0 i. d. R. von weiteren Betriebsgrößen des Injektors 100 bzw.
eines den Injektor beinhaltenden Kraftstoffsystems abhängt. Der
betrachtete Standardansteuerzeitpunkt te0 kann dementsprechend in
an sich bekannter Weise aus einem Kennfeld (nicht gezeigt) erhalten
werden.
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Bei
einer Abweichung des tatsächlichen elektrischen
Ansteuerzeitpunkts te0' von
dem Standardansteuerzeitpunkt te0 wird auf eine Aktivität der Einspritzmengenregelung 210 geschlossen.
Hieraus wird erfindungsgemäß ferner
das Vorliegen einer hydraulischen Störgröße abgeleitet, die sich gemäß den vorstehenden
Betrachtungen in dem Einspritzmengenfehler niederschlägt.
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Anschließend wird
in einem nachfolgenden Schritt 310 des erfindungsgemäßen Verfahrens
die die Einspritzmenge korrigierende Maßnahme (Frühverstellung der elektrischen
Ansteuerung zu dem Zeitpunkt te0')
ausgewertet. Ziel der Auswertung kann beispielsweise eine Plausibilisierung
der Aktivität
der Einspritzmengenregelung 210 sein, bei der geprüft wird,
ob die erfindungsgemäß überwachte
die Einspritzmenge korrigierende Maßnahme wirklich die Folge einer
hydraulischen Störgröße sein
kann. Z. B. kann auf diese Weise aus einer fortwährenden, gleichartigen Korrektur
durch die Einspritzmengenregelung 210 auf eine dauerhafte,
insbesondere verschleißbedingte
Veränderung
der mechanischen Komponenten 110, 116 geschlossen
werden.
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Ggf.
kann in einem weiteren Verfahrensschritt 320 des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
die aktuell betrachtete Aktivität
der Einspritzmengenregelung 210 mit seither beobachteten
bzw. überwachten
und gespeicherten Regeleingriffen abgeglichen werden, um die Genauigkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu steigern.
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In
Abhängigkeit
der erfindungsgemäßen Auswertung 310, 320 kann
einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zufolge in einem nachfolgenden Schritt 330 schließlich eine
Fehlerreaktion eingeleitet werden. Beispielsweise kann ein Fehlerspeichereintrag
in dem Steuergerät 200 vorgenommen
werden. Alternativ oder ergänzend
kann auch ein akustisches und/oder ein optisches Signal, beispielsweise
in einem Kombiinstrument eines den Injektor 100 enthaltenden
Kraftfahrzeugs, erzeugt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
vorteilhaft, aus dem Verhalten einer dem Injektor 100 zugeordneten
Einspritzmengenregelung 210 auf das Auftreten von hydraulischen
Störgrößen, wie
beispielsweise Driften oder sonstigen Defekten zu schließen. Beispielsweise
kann immer dann, wenn eine verhältnismäßig große Regeldifferenz
für den
Ansteuerbeginnzeit punkt te0 festgestellt wird, erfindungsgemäß darauf
geschlossen werden, dass eine hydraulische Störgröße aufgetreten ist, die zu
dem betreffenden Regelvorgang und dem Auftreten dieser Regeldifferenz
geführt
hat.
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Das
erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann
bei allen Injektoren 100 durchgeführt werden, deren Ventilnadel 116 zumindest
in manchen Betriebsbereichen eine ballistische Trajektorie vollführt. Es
ist offensichtlich, dass das erfindungsgemäße Prinzip unabhängig von
der jeweiligen Ausbildung des die Ventilnadel 116 beziehungsweise
die Ventilkugel 105 antreibenden Aktors arbeitet. Insbesondere
kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren bei
solchen Injektoren 100 eingesetzt werden, die als Aktor
einen Elektromagneten oder auch einen piezoelektrischen Aktor aufweisen.
Auch bei Injektoren, bei denen die Ventilnadel keine oder überwiegend keine
ballistische Trajektorie vollführt,
kann die Erfindung eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung realisiert erstmals eine – zumindest mittelbare – Überwachung
des hydraulischen Einspritztimings des Injektors 100 und erfüllt damit
die neuen Anforderungen der OBD-Gesetzgebung für das Modelljahr 2010.