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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Veränderung einer Steuermenge eines Injektors einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Der Service, die Wartung sowie die Fehlersuche von modernen (Diesel-)Motoren werden auf Grund zunehmender Komplexität immer anspruchsvoller. Daher ist es wünschenswert, dem Servicepersonal geeignete Hilfsmittel an die Hand zu geben, welche diese Tätigkeiten erleichtern. Beispielsweise werden hierzu Wartungsanweisungen, Diagnosegeräte oder auch Diagnosefunktionen im Steuergerät der Brennkraftmaschine vom Hersteller bereitgestellt.
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In bestimmten Situationen ist es beispielsweise notwendig, die Steuermenge der Injektoren des Motors zu ermitteln, welche zusammen mit einer permanenten Leckage die Rückflussmenge bildet. Die Steuermenge ist der Teil der Rückflussmenge, der von der Betätigung („Ansteuerung“) des Injektors herrührt. Eine übermäßige Veränderung der Steuermenge lässt auf einen defekten Injektor schließen.
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Herkömmlicherweise werden zur Messung der Steuermenge die Rücklaufleitungen eines bestimmten oder aller Injektoren demontiert und stattdessen Messgefäße angebracht, um die Rücklaufmenge zu messen. Dies ist jedoch äußerst zeit- und kostenaufwendig und benötigt spezielle Gerätschaften. Aus der Differenz von Rücklaufmenge und permanenter Leckage, welche bspw. ohne Einspritzung gemessen werden kann, lässt sich so die Steuermenge bestimmen.
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Es ist daher wünschenswert, die Messung der Steuermenge oder zumindest die Bestimmung einer Veränderung der Steuermenge zu vereinfachen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 018 576 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Steuervorrichtung zum Betrieb einer Einspritzanlage bekannt, das eine Korrektureinrichtung aufweist. Es wird dabei die Einspritzmenge eines Injektors korrigiert, die sich im Laufe der Benutzung der Vorrichtung einstellt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 000 358 A1 ist ein Einspritzsteuerungssystem zum Steuern von Kraftstoffeinspritzvorgängen bekannt. Die einzelnen Bauteile verändern sich mit der Benutzung und arbeiten mit der Zeit ungleichmäßig. Um Abweichungen zu verringern ermittelt die dort offenbarte Korrektureinrichtung für ein Einspritzbetätigungsausmaß einen Korrekturwert für ein Betätigungsausmaß, so dass ein Unterschied eines tatsächlichen Verhaltens des erfassten Kraftstoffdrucks während des Einspritzvorgangs des Kraftstoffeinspritzventils von einem Standardverhalten des Kraftstoffdrucks reduziert wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 197 00 738 C1 ist ein Verfahren zur Regelung der Einspritzmengen von Injektoren bekannt. Um durch fertigungsbedingte Toleranzen oder auch durch Ablagerungen mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine unterschiedliche Einspritzmengen zu vermeiden, werden jeweils gleiche Einspritzmengen von der Reglereinheit durch Veränderung der jeweiligen Einspritzdauer unter Zugrundelegung eines Meßsignals erreicht.
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Eine drehzahlbasierte Mengenausgleichsregelung (sog. Fuel Balancing Control, FBC) wird bspw. in der
DE 10 2005 030 870 A1 beschrieben. Sie dient dazu, das Drehmoment aller Zylinder eines Motors abzugleichen. Eine druckeinbruchbasierte Mengenausgleichsregelung wird bspw. in der
DE 10 2010 042 736 A1 beschrieben. Sie dient dazu, die Einspritzmenge aller Zylinder eines Motors abzugleichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Veränderung einer Steuermenge eines Injektors einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine einfache und unaufwendige Möglichkeit, eine Veränderung der Steuermenge eines Injektors zu bestimmen. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass sich die bei einem Common-Rail-Motor aus dem Rail (Hochdruckspeicher) bei einer Einspritzung entnommene Kraftstoffmenge (Entnahmemenge) aus der tatsächlichen Einspritzmenge und der Rückflussmenge, bestehend aus Steuermenge und Leckagemenge, zusammensetzt. Da die Entnahmemenge über den Raildruckeinbruch bzw. eine von diesem abhängige Größe relativ leicht - insbesondere unter Verwendung eines Kennfelds - zu ermitteln ist, kann aus dem Vergleich, insbesondere einer Differenzbildung, der aktuellen Größe mit der Größe zu einem ersten, früheren Zeitpunkt (Referenzzeitpunkt) eine Veränderung der Steuermenge leicht bestimmt werden, da sich die Leckage nicht im Raildruckeinbruch niederschlägt. Bei der Leckage handelt es sich nämlich um einen permanenten Mengenabfluss aus dem Rail, wobei der sich hieraus ergebende Raildruckabfall üblicherweise ebenso permanent gegengeregelt wird. Die Bestimmung erfolgt zweckmäßigerweise für jeden Injektor (d.h. Zylinder). Da Rails ohnehin mit einem Raildrucksensor ausgerüstet sind, erfordert die Umsetzung der Erfindung üblicherweise keine zusätzlichen Bauteile und kann im Wesentlichen computerimplementiert erfolgen. Vorteilhaft können somit auch existierende Motoren bzw. Steuergeräte entsprechend umgerüstet werden. Die zu vergleichende Größe bestimmt sich als Differenz einer aus dem jeweiligen Druckeinbruch bestimmten Entnahmemenge und einer aus einer drehzahlbasierten Mengenausgleichsregelung bestimmten Einspritzmenge. Die drehzahlbasierte Mengenausgleichsregelung ist nur für drehmomentwirksame Einspritzmengen sensitiv. Geregelt wird demnach die tatsächliche Einspritzmenge, nicht die dem Rail entnommene Kraftstoffmenge. Die druckeinbruchbasierte Mengenausgleichsregelung hingegen regelt die dem Rail entnommene Kraftstoffmenge, so dass aus der Differenz der beiden geregelten Mengen die Steuermenge bestimmt werden kann. Aus einem Vergleich der aktuellen Steuermenge mit einer früheren Steuermenge kann eine Abweichung bzw. eine Fehlfunktion erkannt werden.
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Die Erfindung schafft die Möglichkeit, eine erhöhte Steuermenge eines Common-Rail Injektors zu erkennen, um eine gezielte Fehlerbehebung zu ermöglichen. Die Fehlersuche kann dabei durch eine Onboard-Diagnose im Steuergerät durchgeführt werden, welche bspw. in der Werkstatt aktiviert werden kann. Es sind keine Montagearbeiten am Fahrzeug notwendig, um den Fehler zu lokalisieren. Weiterhin sind keine zusätzlichen Messtools bzw. Werkzeuge erforderlich. Insgesamt ist ein signifikanter Zeit- und Kostenvorteil zu erwarten.
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Zweckmäßigerweise werden die zu vergleichenden Größen bei im Wesentlichen gleichen Betriebspunkten (Drehzahl, aktive Zusatzaggregate, Raildruck usw.) erfasst. Somit wird erreicht, dass eine Veränderung des Raildruckeinbruchs auch einer Veränderung der Entnahmemenge entspricht und nicht durch veränderte Randbedingungen verursacht wird. Es bietet sich an, mehrere Referenzbetriebspunkte vorzugeben, die sich beispielsweise durch den Raildruck unterscheiden.
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Ein besonders geeigneter Betriebspunkt ist der Leerlauf, da ein Leerlaufregler in allen Applikationen vorhanden ist. Überdies bieten Leerlaufregler üblicherweise auch die Möglichkeit, die Leerlaufrandbedingungen (Drehzahl, aktive Zusatzaggregate, Raildruck usw.) gezielt vorzugeben. Somit kann der spezielle frühere Leerlaufbetriebspunkt besonders leicht reproduziert werden, was nicht auf einen Fehler des Injektors zurückzuführende Veränderungen des Raildruckeinbruchs minimiert. Es bietet sich an, mehrere Leerlaufbetriebspunkte vorzugeben, die sich durch den Raildruck unterscheiden.
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Die Erfindung kann besonders einfach umgesetzt werden, wenn die zum ersten, früheren Zeitpunkt bestimmten Größen im Steuergerät des Motors gespeichert werden, so dass sie für einen Vergleich mit aktuellen Größen jederzeit abrufbar sind und insbesondere eine Onboard-Diagnose durchgeführt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Common-Rail-System, anhand dessen die Erfindung beschrieben wird.
- 2 zeigt einen beispielhaften Raildruckverlauf bei einer Einspritzung in einen Zylinder.
- 3 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufplans.
- 4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufplans.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine hier als Common-Rail-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, umfassend ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem 100 und einen Zylinder 116 schematisch dargestellt.
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In einem teilweise angeschnitten gezeigten, mit Kühlwasser 114 gekühlten Brennraum 124 des Zylinders 116 ist ein Kolben 126 beweglich angeordnet. Ein Injektor 109 dient zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 124. Wenngleich hier nur ein Zylinder 116 dargestellt ist, ist die Erfindung für beliebig viele Zylinder geeignet.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst einen Kraftstofftank 101, der in nahezu gefülltem Zustand gezeigt ist. Innerhalb des Kraftstofftanks 101 ist eine Vorförderpumpe 103 angeordnet, die durch ein Vorfilter 102 Kraftstoff aus dem Tank 101 ansaugt und mit niedrigem Druck von 1 bar bis maximal 10 bar durch eine Kraftstoffleitung 105 bis zu einem Kraftstofffilter 104 befördert. Von dem Kraftstofffilter 104 führt eine weitere Niederdruckleitung 105' zu einer Hochdruckpumpe 106, die den zugeführten Kraftstoff bis auf einen hohen Druck komprimiert, der je nach System typischerweise zwischen 100 bar und 2000 bar liegt. Die Hochdruckpumpe 106 weist eine Zumesseinheit (ZME) 113 zum Einstellen einer Kraftstoffmenge auf. Die Hochdruckpumpe 106 speist den komprimierten Kraftstoff in eine Hochdruckleitung 107 und ein mit dieser verbundenes Rail 108 (Hochdruckspeicher), das sog. Common-Rail, ein. Vom Rail 108 führt eine weitere Hochdruckleitung 107' zum Injektor 109.
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Ein System von Rücklaufleitungen 110 ermöglicht den Rückfluss überschüssigen Kraftstoffs aus dem Kraftstofffilter 104, der Hochdruckpumpe 106 bzw. Zumesseinheit 113, dem Injektor 109 und dem Rail 108 in den Kraftstofftank 101. Dabei ist zwischen das Rail 108 und die Rückflussleitung 110 ein Druckregelventil (DRV) 112 geschaltet, das - neben der ZME - durch Verändern der vom Rail 108 in die Rückflussleitung 110 abfließenden Kraftstoffmenge den im Rail 108 herrschenden hohen Druck, den sog. Raildruck, regeln kann. Die die Erfindung betreffende Steuermenge wird dem Rail 108 zwar entnommen, aber nicht eingespritzt, sondern läuft vom Injektor 109 über eine Rückflussleitung 110 in den Kraftstofftank zurück.
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Das gesamte Common-Rail-Einspritzsystem 100 wird durch ein Steuergerät 111 gesteuert, das über elektrische Leitungen 128 u.a. mit der Vorförderpumpe 103, der Hochdruckpumpe 106, der Zumesseinheit 113, dem Injektor 109, einem Drucksensor 134 am Rail 108, dem Druckregelventil 112 sowie Temperatursensoren 130, 132, 122 am Zylinder 116 bzw. an der Kraftstoffzulaufleitung 105 verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Steuermenge bedient sich der Auswertung des Raildruckeinbruchs während einer Einspritzung. In 2 ist in einem Diagramm 200 ein beispielhafter Raildruckverlauf 201 auf der Ordinate gegen die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen. Es ist erkennbar, dass bei einer Einspritzung etwa zum Zeitpunkt t = 0,020 s der Raildruck pRaul von etwa 1581 bar auf etwa 1535 bar, d.h. um Δp = 46 bar, einbricht. Es hat sich gezeigt, dass dieser Raildruckeinbruch in erster Näherung proportional zu der dem Rail 108 entnommenen Kraftstoffmenge (Entnahmemenge) ist, so dass diese insbesondere unter Verwendung eines temperatur- und/oder raildruckabhängigen Kennfeldes bestimmt werden kann.
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Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf 3 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
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In einem optionalen Vorbereitungsverfahren 300 werden eine oder mehrere Referenzmessungen zu einem ersten Zeitpunkt t1 durchgeführt. Dieser erste Zeitpunkt t1 liegt vorzugsweise kurz nach der Herstellung der Brennkraftmaschine, wenn noch von einem ordnungsgemäßen Zustand der Injektoren ausgegangen werden kann. Jeder Referenzmessung ist ein Referenzbetriebspunkt zugehörig.
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Für jede Referenzmessung wird in einem Schritt 301 ein geeigneter Referenzbetriebspunkt R mit definierten Randbedingungen, wie z. B. Drehzahl n0, aktive Zusatzaggregate, RaildruckpRaul usw., ausgewählt. Als besonders geeignet hat sich hier der Leerlauf erwiesen, da dessen Randbedingungen relativ frei vorgegeben werden können und dieser Betriebspunkt auch zu einem späteren Zeitpunkt (im Servicefall) relativ einfach wieder eingestellt werden kann. Es bietet sich an, mehrere Referenzbetriebspunkte, vorzugeben, die sich beispielsweise durch den Raildruck unterscheiden, bspw. mehrere Leerlaufbetriebspunkte.
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Für die Referenzmessung wird demnach die Brennkraftmaschine in einen Referenzbetriebspunkt R gebracht. Anschließend wird in einem Schritt 302 zylinderindividuell der Raildruckeinbruch Δpi(R,t1) für wenigstens eine Einspritzung bestimmt (vgl. 2). Zweckmäßigerweise wird über eine Anzahl von Einspritzungen gemittelt.
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In einem Schritt 303 wird anhand eines Kennfeldes, welches empirisch ermittelt sein kann, aus dem Raildruckeinbruch Δpi die dem Rail 108 tatsächlich entnommene Kraftstoffmenge (Entnahmemenge) gE i(Δpi(R,t1), pRail) bestimmt. Das Kennfeld ist insbesondere raildruckabhängig, d.h. die Entnahmemenge gE ist bei gleichem Raildruckeinbruch Δp umso größer, je höher der Ausgangsraildruck pRall ist.
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Die auf diese Weise ermittelte Entnahmemenge wird in einem Schritt 304 zylinderindividuell und betriebspunktabhängig zweckmäßigerweise im Steuergerät 111 der Brennkraftmaschine gespeichert. Es bietet sich an, die den Referenzbetriebspunkt kennzeichnenden Randbedienungen ebenfalls im Steuergerät 111 abzulegen, um ihn zu einem späteren Zeitpunkt besonders einfach wieder anfahren zu können.
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Es bietet sich an, mehrere Referenzbetriebspunkte vorzugeben, die sich beispielsweise durch den Raildruck unterscheiden. Für jeden Referenzbetriebspunkt wird eine Referenzmessung durchgeführt und deren Ergebnis im Steuergerät 111 abgespeichert.
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Soll nun zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt t2 bestimmt werden, ob sich die Steuermenge eines Injektors verändert hat, wird auf nachfolgende Weise gemäß einem Ausführungsbeispiel 310 der Erfindung verfahren.
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In einem Schritt 311 wird zunächst wenigstens einer der Referenzbetriebspunkte R erneut angefahren.
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Anschließend wird in einem Schritt 312 erneut zylinderspezifisch der von einer Einspritzung hervorgerufene Raildruckeinbruch Δp,(R,t2) erfasst.
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Auf Grundlage des genannten Kennfeldes wird anschließend in einem Schritt 313 die aktuelle Entnahmemenge gEi(Dpi,(R,t2), pRaul) bestimmt und in einem Schritt 314 mit der zugehörigen Referenzmenge qE,(Δp,(R,t1), pRaul) verglichen.
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Eine Abweichung der Entnahmemengen ist auf eine Veränderung der Steuermenge zurückzuführen. Dies rührt daher, dass der Referenzbetriebspunkt R wieder angefahren worden ist und somit dasselbe Drehmoment wie zum Referenzzeitpunkt t1 von der Brennkraftmaschine erzeugt wird. Die zum Zeitpunkt t2 tatsächlich in den Brennraum 124 des Zylinders 116 eingespritzte Kraftstoffmenge qI entspricht somit der zum Referenzzeitpunkt t1, weshalb eine Veränderung der Entnahmemenge qE auf eine Veränderung der Steuermenge qS zurückzuführen ist, qE=qI+qS, da sich - wie oben erläutert - eine Veränderung der Leckage nicht als Raildruckeinbruch zeigt.
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Anhand der Veränderung kann dann entschieden werden, ob eine ausreichende Funktionsfähigkeit des Injektors 109 noch gegeben oder ein Austausch notwendig ist.
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Die Schritte 303 und 313, in denen aus dem Raildruckeinbruch eine Kraftstoffmenge bestimmt wird, sind optional und dienen dazu, eine quantitative Veränderung der Steuermenge zu bestimmen. Werden stattdessen in Schritt 314 nur die jeweilige Raildruckeinbrüche aus den Schritten 302 und 312 verglichen, kann ebenfalls eine Fehlfunktion des Injektors festgestellt werden, wenn die Raildruckeinbrüche zu sehr voneinander abweichen.
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Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Das Verfahren gemäß 4 basiert ebenfalls auf dem Vergleich von zwei raildruckbasierten Größen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten t1 und t2 gemessen bzw. bestimmt worden sind.
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Zur Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Abwandlung 400 des Vorbereitungsverfahrens 300 durchgeführt. Das Verfahren 400 beginnt jedoch ebenfalls mit dem Schritt 301.
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In einem Schritt 402 wird zunächst eine drehzahlbasierte Mengenausgleichsregelung durchgeführt. Die drehzahlbasierte Mengenausgleichsregelung erfasst die Drehzahl der Kurbelwelle und ist daher drehmomentsensitiv. In der Folge werden hierdurch ausschließlich Einflüsse korrigiert, die drehmomentwirksam sind und dadurch zu einer Beeinflussung der Drehzahl führen. Bei der Durchführung der drehzahlbasierten Mengenausgleichsregelung können zylinderindividuelle Einspritzmengenabweichungen ΔqI i(R,t1) von einem injektorübergreifenden Einspritzmengenmittelwert bestimmt werden.
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In einem Schritt 403 wird für dieselben Referenzbetriebspunkte R eine raildruckeinbruchbasierte Mengenausgleichsregelung durchgeführt. Bei dieser Regelung wird zylinderindividuell der Raildruckeinbruch auf einen Raildruckeinbruchmittelwert geregelt. Daraus können ohne Weiteres, insbesondere mittels des bereits mehrfach erwähnten Kennfeldes, zylinderindividuell Entnahmemengenabweichungen ΔqE i(R,t1) von einem injektorübergreifenden Entnahmemengenmittelwert bestimmt werden.
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Die Reihenfolge der Schritte 402 und 403 ist beliebig. Alternativ können die Schritte 402 und 403 auch gleichzeitig durchgeführt werden, wobei nur eine Funktion regelnd auf die Einspritzmenge eingreift und bei der anderen Funktion nur die Ausgänge überwacht werden.
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Aus einem Vergleich der mittels der drehzahlbasierten Regelung bestimmten Einspritzmengenabweichung und der mittels der raildruckeinbruchbasierten Regelung bestimmten Entnahmemengenabweichung kann die zylinder- bzw. injektorindividuelle Steuermengenabweichung ΔqS i(R,t1) = ΔqE i(R,t1) - ΔqI i(R,t1) von einem Steuermengenmittelwert zum Referenzzeitpunkt t1 in einem Schritt 404 bestimmt werden.
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Diese Werte werden in dem Schritt 405 betriebspunktabhängig im Steuergerät 111 hinterlegt.
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Soll nun zum zweiten, späteren Zeitpunkt t2 bestimmt werden, ob sich die Steuermengenabweichung eines Injektors verändert hat, wird auf nachfolgende Weise gemäß einem Ausführungsbeispiel 410 der Erfindung verfahren.
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In einem Schritt 311 wird zunächst wenigstens einer der Referenzbetriebspunkte R erneut angefahren.
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In einem Schritt 412 wird aus der drehzahlbasierten Mengenausgleichsregelung eine injektorindividuelle Einspritzmengenabweichung ΔqI i(R,t2) und in einem Schritt 413 wird aus der raildruckbasierten Mengenausgleichsregelung eine injektorindividuelle Entnahmemengenabweichung ΔqE,(R,t2) bestimmt. Die Reihenfolge der Schritte 412 und 413 ist, wie oben, beliebig.
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In einem Schritt 413 wird die injektorindividuelle Steuermengenabweichung ΔqS i(R,t2) = ΔqE i(R,t2) - ΔqI i(R,t2) zum zweiten Zeitpunkt t2, wie beschrieben, bestimmt und in einem Schritt 414 mit der abgespeicherten Steuermengenabweichung ΔqS i(R,t1) aus Schritt 404 verglichen.
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Anhand der Veränderung der Steuermengenabweichung kann die Funktionsfähigkeit des Injektors beurteilt werden.