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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Vom Markt her ist es bekannt, Kraftstoff mittels eines Injektors ("Common-Rail-Injektor") in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dabei unterliegt der Injektor über seiner Lebensdauer verschiedenen Mechanismen, welche – bei jeweils gleicher Ansteuerung einer den Injektor betätigenden elektromagnetischen oder piezoelektrischen Betätigungseinrichtung – zu Veränderungen der eingespritzten Kraftstoffmenge führen. Solche Mechanismen sind beispielsweise ein Verschleiß des Injektors, sowie Belagsbildungen und Verkokung an einer Ventilnadel oder einer Ventildüse bzw. Auslassöffnung des Injektors. Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die
DE 10 2006 003 861. -
Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass Mengenfehler einer mittels eines Injektors in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge korrigiert werden können. Insbesondere können Mengenfehler, welche durch Verkokung an einer Ventilnadel und/oder einer Ventildüse (Auslassöffnung) des Injektors entstehen, sowie Mengenfehler, welche aufgrund eines Verschleißes eines Ventilsitzes des Injektors entstehen, während der Lebensdauer des Injektors ausgeglichen werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dabei wird die eingespritzte Kraftstoffmenge mindestens eines Injektors in Abhängigkeit von einem Verschleiß und einer Verkokung des Injektors in Bezug auf eine Sollmenge korrigiert. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- (a) Ermitteln einer einen Verkokungsgrad des Injektors charakterisierenden Größe;
- (b) Verändern eines Ansteuersignals des Injektors in Abhängigkeit von der ermittelten, den Verkokungsgrad charakterisierenden Größe;
- (c) danach Ermitteln eines Ist-Schließzeitpunkts des Injektors;
- (d) Vergleichen des Ist-Schließzeitpunkts mit einem Soll-Schließzeitpunkt; und
- (e) Verändern des Ansteuersignals des Injektors derart, dass der Ist-Schließzeitpunkt mit dem Soll-Schließzeitpunkt wenigstens in etwa gleichgestellt wird.
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Zur Ermittlung des Verkokungsgrads können an sich beliebige Methoden verwendet werden. Vorzugsweise wird die den Verkokungsgrad des Injektors charakterisierende Größe unter Verwendung einer Kurvenschar in Abhängigkeit von einer Ansteuerdauer ermittelt, wie es weiter unten noch beschrieben werden wird. Wenn die den Verkokungsgrad charakterisierende Größe ermittelt wurde, so wird aufgrund eines an sich bekannten Verhaltens des Injektors in Abhängigkeit von dem Verkokungsgrad das Ansteuersignal des Injektors verändert. Beispielsweise wird das Ansteuersignal um ein bestimmtes Maß zeitlich verlängert oder verkürzt. Somit wird der Betrag der Verkokung ausgeglichen.
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In einem folgenden Verfahrensschritt wird ein Ist-Schließzeitpunkt des Injektors ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels einer Auswertung einer an der elektromagnetischen oder piezoelektrischen Betätigungseinrichtung anliegenden Spannung bzw. eines Stroms erfolgen. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der ermittelte Ist-Schließzeitpunkt mit dem – aufgrund des ermittelten Verkokungsgrads angepassten – Soll-Schließzeitpunkt verglichen. Die Differenz wird als Effekt des Sitzverschleißes interpretiert.
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Danach wird der ermittelte Ist-Schließzeitpunkt wenigstens in etwa zu dem Soll-Schließzeitpunkt gleichgestellt. Auf diese Weise werden der Beitrag der Verkokung und der Beitrag des Verschleißes voneinander unterschieden und einzeln (nacheinander) ausgeglichen. In der Summe wird dadurch die eingespritzte Kraftstoffmenge vergleichsweise präzise in Bezug auf eine Soll-Kraftstoffmenge korrigiert.
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Im Allgemeinen führt ein Verschleiß im Bereich eines Ventilsitzes des Injektors zu einem verspäteten Schließzeitpunkt und damit zu einer vergrößerten Einspritzmenge. Ebenso führt eine Verkokung einer Auslassöffnung des Injektors zu einem verspäteten Schließzeitpunkt, wobei jedoch die Einspritzmenge vermindert wird. Zum einen führt eine Verkokung zu einem Druckanstieg im Bereich der Auslassöffnung, zum andern ergibt sich dadurch eine Verminderung des hydraulischen Durchflusses. Der Verschleiß und die Verkokung wirken somit zumindest teilweise gegenläufig. Ein bloßes Gleichstellen der Schließdauer – ohne vorherige Berücksichtigung des Verkokungsgrads – ist dabei nicht gleichbedeutend mit einem Gleichstellen der Einspritzmenge.
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Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Verfahrensschritte nicht zwingend eine bestimmte Reihenfolge gemäß den Indizes (a), (b), (c), (d) und (e) erfordern. Beispielsweise ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren alternativ in der folgenden Reihenfolge durchzuführen:
- (f) Ermitteln des Ist-Schließzeitpunktes des Injektors, entsprechend dem Schritt (c);
- (g) Vergleichen des Ist-Schließzeitpunktes mit dem Soll-Schließzeitpunkt, entsprechend dem Schritt (d);
- (h) Verändern des Ansteuersignals des Injektors derart, dass der Ist-Schließzeitpunkt mit dem Soll-Schließzeitpunkt wenigstens in etwa gleichgestellt wird, entsprechend dem Schritt (e);
- (i) Ermittlung eines Zusammenhangs der im Schritt (h) verwendeten Ansteuerdauer-Korrekturwerte in Abhängigkeit von der Ansteuerdauer;
- (j) Daraus folgend Ermittlung der den Verkokungsgrad charakterisierenden Größe, entsprechend dem Schritt (a); und
- (k) Verändern des Ansteuersignals des Injektors in Abhängigkeit von der ermittelten, den Verkokungsgrad charakterisierenden Größe, entsprechend dem Schritt (b).
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die den Verkokungsgrad charakterisierende Größe eine Steigung einer Geraden oder einer mindestens abschnittsweise geradenartigen Kurve ist, wobei die Gerade oder geradenartige Kurve Ansteuerdauern des Injektors mit jeweils zugehörigen Differenzwerten verknüpft, und wobei ein Differenzwert durch die Differenz zwischen einem Ist-Schließzeitpunkt und einem Referenz-Schließzeitpunkt oder zwischen einer Ist-Einspritzmenge und einer Referenz-Einspritzmenge gebildet wird. Die Referenz-Schließzeitpunkte werden an einem neuen und nicht verkokten Referenz-Injektor beispielsweise auf einem Teststand ermittelt und danach in einem Datenspeicher abgelegt. Die Ist-Schließzeitpunkte des Injektors werden in vergleichbarer Weise im weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine ermittelt. Dadurch kann der Verkokungsgrad besonders genau ermittelt werden. Die Verwendung der Ist-Einspritzmenge und der Referenz-Einspritzmenge stellt eine mögliche Alternative zur Ermittlung des Schließzeitpunkts dar. Unter "Ansteuerung" des Injektors wird vorliegend die Ansteuerung einer den Injektor betätigenden elektromagnetischen oder piezoelektrischen Betätigungseinrichtung verstanden, welche beispielsweise mit dem Injektor in einem Gehäuse verbaut ist.
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Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiter verbessert werden, wenn es in Abhängigkeit von einem Raildruck eines Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Der Raildruck kann im Betrieb der Brennkraftmaschine um ein bestimmtes Maß schwanken, woraus sich bei ansonsten gleichen Bedingungen unterschiedliche eingespritzte Kraftstoffmengen ergeben können. Durch Ermittlung des aktuellen Raildrucks kann dieser Umstand auf einfache Weise berücksichtigt werden.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass es unter Verwendung von mindestens einem Modell und/oder mindestens eines Kennfelds durchgeführt wird. Dadurch können Rechenzeit zur Durchführung des Verfahrens und somit Kosten gespart werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Modell mindestens einen Zusammenhang zwischen einer Mengendrift und einem Raildruck und/oder einen Zusammenhang zwischen der Mengendrift und der Ansteuerdauer und/oder einen Zusammenhang zwischen einer Schließdauerdrift und dem Raildruck und/oder einen Zusammenhang zwischen der Schließdauerdrift und der Ansteuerdauer umfasst. Dabei können verschiedene, die eingespritzte Kraftstoffmenge beeinflussende Größen jeweils partiell ermittelt und anschließend gemeinsam in dem Modell berücksichtigt werden. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht werden. Vorzugsweise wird das Verfahren zumindest teilweise mittels eines Computerprogramms durchgeführt, welches auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine ablauffähig ist.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein vereinfachtes Schema eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine;
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2 eine vereinfachte Schnittansicht eines Einspritzventils des Kraftstoffsystems von 1;
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3 ein Diagramm mit Differenzen von Referenz-Schließzeitpunkten und Ist-Schließzeitpunkten in Abhängigkeit von einer Ansteuerdauer eines Injektors;
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4 ein Schema eines Modells zur Durchführung des Verfahrens; und
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5 ein Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt ein vereinfachtes Schema eines Kraftstoffsystems 11 einer Brennkraftmaschine 10 mit vorliegend vier Zylindern 12 und zugehörigen Injektoren 14 (Einspritzventile) zur Einspritzung von Kraftstoff. Die Injektoren 14 können durch je eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 13 betätigt werden. Alternativ kann die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 13 auch als piezoelektrische Betätigungseinrichtung 13 ausgeführt sein. Oberhalb der Injektoren 14 ist ein Hochdruckspeicher 16 ("Rail") dargestellt, der aus einer Hochdruckleitung 18 mit Kraftstoff gespeist wird. Ein Raildruck 19 wird von einem Drucksensor 20 überwacht. Die Brennkraftmaschine 10 ist entweder als ein Benzinmotor oder als ein Dieselmotor ausgeführt. Im rechten oberen Teil der 1 ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 22 zusammen mit angedeuteten abgehenden und ankommenden Steuerleitungen dargestellt, sowie ein darin enthaltener Datenspeicher 24 und ein Computerprogramm 26.
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Im Betrieb speist eine (nicht dargestellte) Kraftstoffpumpe den Hochdruckspeicher 16 über die Hochdruckleitung 18, wobei der Drucksensor 20 den aktuellen Kraftstoffdruck über eine angedeutete Signalleitung zur Steuerund/oder Regeleinrichtung 22 meldet. Die vier Injektoren 14 setzen abhängig von einem Ansteuersignal der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 13 eine bestimmte Kraftstoffmenge in die Zylinder 12 ab.
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2 zeigt schematisch einige Elemente des Injektors 14 zur Kraftstoff-Direkteinspritzung der Brennkraftmaschine 10. In 2 ist der Injektor 14 im geschlossenen Zustand dargestellt. Weiterhin ist in der Zeichnung die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 13 gezeigt, welche eine Spule 32 und einen Anker 34 umfasst, der bei einer Bestromung in die Spule 32 gezogen wird. Die Bewegung des Ankers 34 ist durch einen Ruhesitz 36 sowie einen Hubanschlag 38 begrenzt. Bei geschlossenem Injektor 14 liegt der Anker 34 auf dem Ruhesitz 36 auf. Durch eine axiale Bohrung im Anker 34 ist eine Ventilnadel 40 geführt, welche an ihrem in der Zeichnung oberen Ende fest mit einem scheibenförmigen Mitnehmer 42 verbunden ist. Auf den Mitnehmer 42 wirkt eine Schraubenfeder 44 ein und beaufschlagt die Ventilnadel 40 somit in Schließrichtung. Die Ventilnadel 40 und der Mitnehmer 42 bilden zusammen ein Ventilelement 15. Wie bereits beschrieben, kann der Injektor 14 alternativ an Stelle der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 13 eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung 13 aufweisen. Dies wird vorliegend jedoch nicht näher erläutert.
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Am in der Zeichnung unteren Ende des Injektors 14 ist ein Ventilsitz 46 angeordnet. Eine Auslassöffnung 48 ist bei auf dem Ventilsitz 46 aufliegender Ventilnadel 40 verschlossen und bei abgehobener Ventilnadel 40 geöffnet (nicht dargestellt). Sonstige Elemente des Injektors 14, wie zum Beispiel Kraftstoffkanäle, sind nicht mit dargestellt. Alle Bewegungen geschehen in einer auf die Zeichnung bezogenen vertikalen Richtung. Es versteht sich, dass der Injektor 14 und/oder die Führung des Magnetflusses auch abweichend von dem in der 2 gezeigten vereinfachten Schema ausgeführt sein kann.
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Ausgehend von dem in der 2 gezeigten geschlossenen Zustand des Injektors 14 wird bei einer Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 13 die Spule 32 bestromt. Dadurch wird nachfolgend der Anker 34 in Richtung des Hubanschlags 38 mittels Magnetkraft angezogen. Wenn der Anker 34 die axiale Position des Mitnehmers 42 erreicht, nimmt er den Mitnehmer 42 in der Zeichnung nach oben mit. Dadurch wird die Ventilnadel 40 von dem Ventilsitz 46 abgehoben und der Injektor 14 somit geöffnet.
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Wird nachfolgend die Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 13 beendet, so nehmen der durch die Spule 32 fließende Strom und entsprechend die Magnetkraft ab. Die Schraubenfeder 44 kann den Mitnehmer 42 in der Zeichnung nach unten bewegen, wodurch der Anker 34 zwangsweise von dem Hubanschlag 38 abgehoben wird. Wenn die Ventilnadel 40 den Ventilsitz 46 erreicht, hebt der Anker 34 mittels der Massenträgheit vom Mitnehmer 42 ab und schlägt schließlich an dem Ruhesitz 36 an.
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3 zeigt eine Schar von Kurven, welche einen Differenzwert 50 in Abhängigkeit von einer Ansteuerdauer 52 beschreiben. Der Parameter der drei in der Zeichnung dargestellten Kurven ist das jeweilige Maß 54 einer Verkokung (Verkokungsgrad) des Injektors 14. Das Maß 54 ist somit eine den Verkokungsgrad des Injektors 14 charakterisierende Größe. Die Verkokung bedeutet Ablagerungen in einem Bereich der Auslassöffnung 48 ("Ventildüse") des Injektors 14, welche insbesondere durch ungeeignete Kraftstoffe und/oder hohe Temperaturen entstehen bzw. gefördert werden. Beispielsweise kann die Verkokung eine Verminderung des hydraulischen Durchflusses durch die Auslassöffnung 48 bewirken.
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Die Differenzwerte 50 der 3 sind gebildet durch eine Differenz zwischen Ist-Schließzeitpunkten und Referenz-Schließzeitpunkten. Der das Maß 54 beschreibende Pfeil weist in der Zeichnung in Richtung höherer Verkokungsgrade. Ein Verkokungsgrad von null entspricht der Abszisse des dargestellten Koordinatensystems, da hierbei die Differenz zwischen den Ist-Schließzeitpunkten und den Referenz-Schließzeitpunkten für sämtliche Ansteuerdauern 52 null ist, und somit die Differenzwerte 50 ebenfalls null sind.
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Man erkennt, dass in einem mittleren Bereich der Zeichnung für jede der drei dargestellten Kurven eine Gerade 60 – vorliegend als Geraden 60a, 60b und 60c bezeichnet – angegeben werden kann, für welche die jeweilige Kurve abschnittsweise in etwa geradenartig ausgebildet ist. Weiterhin ist zu erkennen, dass mit zunehmender Ansteuerdauer 52 der Differenzwert 50 in Abhängigkeit von dem Maß 54 zunimmt. Entsprechend nehmen auch zugehörige Steigungen 62a, 62b und 62c zu. Daraus ergibt sich, dass die Steigungen 62a, 62b und 62c geeignet sind, das Maß 54 der Verkokung anzugeben.
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Die Referenz-Schließzeitpunkte des Injektors 14 werden beispielsweise auf einem Teststand bei einem neuen und nicht verkokten Injektor 14 in Abhängigkeit von Ansteuerdauern 52 des Injektors 14 ermittelt und in dem Datenspeicher 24 abgespeichert. Danach werden in vergleichbarer Weise Ist-Schließzeitpunkte des Injektors 14 im weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ermittelt. Unter einer "Ansteuerung" des Injektors 14 wird vorliegend die Ansteuerung der den Injektor 14 betätigenden elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 13 verstanden, welche beispielsweise mit dem Injektor 14 in einem Gehäuse verbaut ist.
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4 zeigt ein Schema eines Modells 64 zur Durchführung des Verfahrens. Das Modell 64 ist in der Mitte der Zeichnung durch einen Kreis dargestellt. Ein erster Block unten links beschreibt einen Zusammenhang 66 zwischen einem Differenzwert 50a ("Schließdauerdrift") und dem Raildruck 19. Ein zweiter Block unten rechts beschreibt einen Zusammenhang 68 zwischen dem Differenzwert 50a und der Ansteuerdauer 52. Ein dritter Block oben links beschreibt einen Zusammenhang 70 zwischen einem Differenzwert 50b ("Mengendrift") und dem Raildruck 19. Ein vierter Block oben rechts beschreibt einen Zusammenhang 72 zwischen dem Differenzwert 50b und der Ansteuerdauer 52. Dabei entsprechen die Differenzwerte 50a dem in der 3 gezeigten Differenzwert 50. Die Differenzwerte 50b sind gebildet durch eine Differenz zwischen Ist-Einspritzmengen 74 und Referenz-Einspritzmengen 76, ähnlich, wie es in der 3 für die Ist-Schließzeitpunkte und die Referenz-Schließzeitpunkte gezeigt ist. Eine zu den Differenzwerten 50a der 3 vergleichbare Darstellung wird für die Differenzwerte 50b vorliegend jedoch nicht näher beschrieben.
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Pfeile 78 symbolisieren die Berücksichtigung der genannten Zusammenhänge in dem Modell 64. Jeweils neben den Zusammenhängen 66, 68, 70 und 72 sind entsprechende Beispiele in Form von Koordinatensystemen und darin eingetragener Kurven dargestellt. Die Beispiele zeigen einen möglichen grundsätzlichen Verlauf der damit verknüpften Größen. Insbesondere symbolisiert das Beispiel in der Zeichnung unten rechts die Kurvenschar der 3. Die dargestellten Zusammenhänge 66, 68, 70 und 72 umfassen somit mehrere für das Modell 64 verwendete Größen zur Korrektur der eingespritzten Kraftstoffmenge in Bezug auf eine Verkokung und einen Verschleiß des Injektors 14.
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Alternativ und/oder ergänzend zu dem Modell 64 ist es möglich, das Verfahren zur Korrektur der eingespritzten Kraftstoffmenge unter Verwendung von mindestens einem Kennfeld durchzuführen. Dies ist in der 4 jedoch nicht gezeigt.
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5 zeigt ein Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens, welches vorliegend zylinderindividuell durchgeführt wird. In einem Start-Block 80 beginnt die dargestellte Prozedur. In einem folgenden Block 82 wird eine den Verkokungsgrad des Injektors 14 charakterisierende Größe (Maß 54) entsprechend dem in der 3 beschriebenen Schema ermittelt. In einem weiteren Block 84 wird unter Verwendung eines Zusammenhangs zwischen der den Verkokungsgrad charakterisierenden Größe, der Ansteuerdauer 52, des Raildrucks 19, sowie der daraus folgend eingespritzten Kraftstoffmenge der Einfluss der Verkokung mittels Verändern des Ansteuersignals des Injektors 14 korrigiert.
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Nachfolgend kann ein Verschleiß der Ventilnadel 40 und/oder des Ventilsitzes 46 korrigiert werden. Dazu wird in einem weiteren Block 86 der Ist-Schließzeitpunkt des Injektors 14 ermittelt und mit einem Soll-Schließzeitpunkt (ohne Bezugszeichen) verglichen. In einem nochmals weiteren Block 88 wird ein Ergebnis des Vergleichs dazu verwendet, um das Ansteuersignal des Injektors 14 wiederum zu verändern, derart, dass der Ist-Schließzeitpunkt mit dem Soll-Schließzeitpunkt wenigstens in etwa gleichgestellt wird.
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Auf diese Weise können Mengenfehler, welche durch Verkokung an der Ventilnadel 40 und/oder der Auslassöffnung 48 des Injektors 14 entstehen, sowie Mengenfehler, welche aufgrund eines Verschleißes der Ventilnadel 40 und/oder des Ventilsitzes 46 entstehen, gemeinsam korrigiert werden. In einem Ende-Block 90 endet die in der 5 gezeigte Prozedur.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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