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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem der
Kraftstoff über
mindestens eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in mindestens einen
Brennraum gelangt, wobei ein Ventilelement der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
wenigstens mittelbar mittels eines Piezoaktors betätigt wird,
und bei dem vor einem Start der Brennkraftmaschine eine Polarisierung
des Piezoaktors durchgeführt
werden kann.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt.
Es kommt bei Kraftstoff-Einspritzsystemen zum Einsatz, bei denen
der Kraftstoff von einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung direkt in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Hierzu verfügt die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung über ein
hydraulisches Schaltventil, welches über einen hydraulischen Koppler
oder Übersetzer von
einem Piezoaktor betätigt
wird und welches die Stellung eines Ventilelements der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
beeinflusst. Hierzu wird der Piezoaktor auf eine bestimmte Spannung
geladen, aus der sich wenigstens in etwa proportional ein entsprechender
Hub des Piezoaktors ergibt. Bekannt ist auch eine direkte Kopplung
des Piezoaktors mit dem Ventilelement.
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Wenn
die Brennkraftmaschine jedoch über einen
längeren
Zeitraum nicht in Betrieb war, kann es bei dem eingesetzten Piezoaktor
zu Depolarisationseffekten kommen. Diese haben zur Folge, dass der Piezoaktor
nach einer ersten Ansteuerung nicht vollständig in seine Ausgangslage
zurückkehrt,
sondern einen positiven Resthub aufweist. Dieser kann dazu führen, dass
das Schaltventil und/oder die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach
einer anfänglichen Ansteuerung
des Piezoaktors nicht mehr vollständig schließt. Hierdurch kann der Druckaufbau
in der Kraftstoffsammelleitung, an welche die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung üblicherweise
angeschlossen ist, verzögert
werden, was wiederum zu einer Verlängerung der Zeitdauer führt, die
benötigt
wird, um die Brennkraftmaschine zu starten.
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Um
die beschriebenen Probleme zu vermeiden, ist es daher bekannt, den
Piezoaktor beim Starten der Brennkraftmaschine, unmittelbar bevor
der Anlasser betätigt
wird, zu polarisieren. Hierzu wird der Piezoaktor mit einer vergleichsweise
hohen Spannung angesteuert und diese über einen vergleichsweise langen
Zeitraum beibehalten. Die Folge ist, dass der Wunsch des Benutzers,
den Anlasser zu betätigen
(dies kann man auch als "Startanforderung" bezeichnen), nicht
sofort umgesetzt werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, dass die Brennkraftmaschine möglichst schnell
angelassen werden kann, eine Startanforderung des Benutzers also
ohne Zeitverzögerung
umgesetzt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass noch vor einer eigentlichen Startanforderung (Anlassen der
Brennkraftmaschine) erfasst wird, ob eine solche Startanforderung
möglicherweise
bevorsteht, und dass dann, wenn eine solche Startanforderung möglicherweise
bevorsteht, eine Polarisierung des Piezoaktors angefordert wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß wird der
Zeitpunkt, zu dem die Polarisierung des Piezoaktors durchgeführt werden
kann, deutlich vor die eigentliche Startanforderung gelegt. Grundlage
hierfür
ist die erfindungsgemäße Maßnahme,
die Wahrscheinlichkeit zu erfassen, dass ein Start der Brennkraftmaschine
innerhalb eines gewissen und begrenzten künftigen Zeitraums angefordert
werden wird. Wenn der Benutzer der Brennkraftmaschine dann einen
Start derselben anfordert, ist die Polarisierung des Piezoaktors
im Allgemeinen bereits abgeschlossen, so dass die Startanforderung
unverzüglich
umgesetzt werden kann. Somit kann ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden, ohne dass der Benutzer bei der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine
behindert wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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In
einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass bei einem Kraftfahrzeug
eine möglicherweise
bevorstehende Startanforderung erkannt wird, wenn erfasst wird,
dass eine Fahrertür
manuell oder mittels Fernsteuerung entriegelt oder geöffnet wird,
dass ein Fahrer sich auf einen Fahrersitz setzt und/oder dass ein
Zündschlüssel das
Zündschloss kontaktiert.
Der längste
Zeitraum für
die Durchführung
der Polarisierung des Piezoaktors steht zur Verfügung, wenn auf eine bevorstehende
Staranforderung beim Entriegeln einer Fahrertür mittels Fernsteuerung erkannt
wird. Dies ist mit heute gängigen Infrarot- oder Funkfernsteuerungen
oder entsprechenden Transponderabfragen problemlos möglich. Technisch
besonders einfach und bei fast allen Kraftfahrzeugen realisierbar
ist es dagegen, wenn auf eine möglicherweise
bevorstehende Startanforderung bei einem Kontakt zwischen Zündschlüssel und Zündschloss,
beziehungsweise beim Einstecken des Zündschlüssels in das Zündschloss,
geschlossen wird. Bei allen angegebenen Verfahrensvarianten tritt jedenfalls
nach der erfassten "Zustandsänderung" eine Startanforderung
innerhalb kurzer Zeit nach der Erfassung mit hoher Wahrscheinlichkeit
ein.
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Es
wurde erkannt, dass das Problem der Depolarisierung des Piezoaktors
nicht nur von der Stillstandszeit des Piezoaktors abhängt, sondern
auch von seiner Temperatur. Um daher unnötige Polarisierungsvorgänge zu vermeiden,
welche die Lebensdauer des Piezoaktors einschränken können, wird vorgeschlagen, dass
die Polarisierung nur freigegeben wird, wenn eine Temperatur der
Brennkraftmaschine höchstens
einem Grenzwert entspricht. Bei dieser Temperatur kann es sich um
eine aktuelle Temperatur der Brennkraftmaschine beziehungsweise
eines Bereichs der Brennkraftmaschine handeln, was besonders einfach
zu realisieren ist. Möglich
ist aber auch, dass es sich um eine äquivalente oder mittlere Temperatur
handelt, die aus einem Temperaturverlauf in der Vergangenheit, beispielsweise
seit dem Abstellen der Brennkraftmaschine, gewonnen wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, dass eine Polarisierung nur freigegeben wird,
wenn ein Kraftstoffdruck in einem Druckbereich, an den die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
angeschlossen ist, höchstens
einem Grenzwert entspricht. Bei einem solchen Druckbereich kann
es sich beispielsweise um eine Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail") handeln. Wie bereits
oben erläutert
wurde, wird während
der Polarisierung des Piezoaktors dieser mit einer vergleichsweise
hohen Spannung angesteuert. Herrscht in dem Druckbereich, an den
die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung angeschlossen ist, ein gewisser
Druck, kann Kraftstoff während
der Polarisierung aus der Kraftstoff-Sammelleitung ausströmen, gegebenenfalls
sogar in den Brennraum gelangen. Dies wird durch die hier vorgeschlagene
Maßnahme
verhindert. Hierdurch steigt die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine,
und auch das Emissionsverhalten beim Start wird verbessert.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass eine Polarisierung nur freigegeben wird,
wenn seit dem Abschalten der Brennkraftmaschine eine Zeit vergangen
ist, welche mindestens einem Grenzwert entspricht. Auch hierdurch
werden unnötige
Polarisierungen des Piezoaktors vermieden, was letztlich dessen
Lebensdauer zugute kommt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass mindestens ein Polarisierungsparameter, beispielsweise die
Dauer und/oder die angelegte Spannung, von mindestens einem aktuellen
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine abhängt. Hierdurch kann der Piezoaktor
optimal polarisiert werden, was zu einem besonders präzisen Betrieb
des Piezoaktors und in der Folge wiederum zu einem günstigen
Kraftstoffverbrauch und einem vorteilhaften Emissionsverhalten führt. Als
Betriebsparameter kommen beispielsweise die Dauer seit dem Abstellen
der Brennkraftmaschine oder eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine
in Frage.
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In
vielen Fällen
ist der Piezoaktor mit dem Ventilelement über einen hydraulischen Koppler
verbunden. Ein solcher hydraulischer Koppler besteht üblicherweise
aus einem mit Flüssigkeit
gefüllten Raum,
in den zwei verschiebliche Kolben unterschiedlichen Durchmessers
hineinragen. Der Kolben mit größerem Durchmesser
ist mit dem Piezoaktor, jener mit dem kleineren Durchmesser, mit
dem Ventilelement (des Schaltventils oder direkt der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung)
verbunden. Auf diese Weise kann ein vergleichsweise geringer Hub
des Piezoaktors in einen größeren Hub
des Ventilelements übersetzt
werden. Während
der Polarisierung kann es aufgrund von systembedingten Leckagen
zu einem Druckverlust im hydraulischen Koppler kommen, welcher vorteilhaft
ausgenutzt wird: Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, wonach die Polarisierungsdauer
mindestens der Entladezeitkonstante eines solchen Kopplers entspricht,
wird nämlich
sichergestellt, dass die Polarisierung mindestens so lange dauert,
dass selbst dann, wenn nach dem Ende der Polarisierung der Piezoaktor
nicht vollständig
in seine Ausgangsposition zurückkehrt,
wegen des Druckverlusts das Ventilelement dennoch zuverlässig geschlossen
ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Anwendung
in einem Verfahren der obigen Art programmiert ist. Gegenstand der
Erfindung ist ferner ein elektrisches Speichermedium für eine Steuer-
und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine, auf welcher
ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der obigen
Art abgespeichert ist. Auch die entsprechende Steuer- und/oder Regeleinrichtung
ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Ferner
wird erfindungsgemäß auch eine Brennkraftmaschine
vorgeschlagen, insbesondere für
ein Kraftfahrzeug, mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung,
welche zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert
ist.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
mit einem Piezoaktor und einem hydraulischen Koppler;
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2 eine
schematisierte Detaildarstellung des hydraulischen Kopplers von 1;
und
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3 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt eine
Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
gehört
zu einem Kraftfahrzeug, welches in 1 jedoch
nicht gezeigt ist. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Brennräume 12,
in die Kraftstoff direkt von einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 eingespritzt
wird. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 ist jedoch
nur bei einem Brennraum 12 gezeigt. Sie ist an eine Kraftstoff-Sammelleitung 16 ("Rail") angeschlossen, in
der der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist und die von
einem Hochdruck-Kraftstofffördersystem 18 gespeist
wird. Dieses fördert
aus einem Kraftstoffbehälter 20,
der über
eine Rücklaufleitung 22 mit der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 verbunden
ist.
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Letztere
wird von einem Steuer- und Regelgerät 24 angesteuert.
Dieses erhält
wiederum Signale von verschiedenen Sensoren und Erfassungseinrichtungen.
Hierzu gehört
ein Temperatursensor 26, welcher beispielsweise eine Temperatur
eines Zylinderkopfs (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10 erfasst.
Ferner gehört
hierzu ein Kontaktschalter 28, der ein Signal an das Steuer-
und Regelgerät 24 abgibt,
sobald ein Benutzer der Brennkraftmaschine 10 einen Schlüssel in
ein Zündschloss
der Brennkraftmaschine 10 steckt. Auch ein Belegungssensor 30 eines
Fahrersitzes des Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut
ist, liefert ein entsprechendes Belegungssignal an das Steuer- und Regelgerät 24.
Schließlich
erhält
das Steuer- und Regelgerät 24 noch
ein Signal von einer Einrichtung 32 ("Entriegelungssensor"), wenn eine Fahrertüre des Kraftfahrzeugs, in welches
die Brennkraftmaschine 10 eingebaut ist, entriegelt wird.
Diese Entriegelung kann entweder manuell erfolgen oder beispielsweise über eine
in 1 nicht dargestellte Fernsteuerung oder Transponderabfrage.
Ein Drucksensor 33 erfasst den Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung.
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Die
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 umfasst ein in 1 nur
symbolisch dargestelltes Ventilelement 34, durch dessen
Bewegung eine Kraftstoff-Austrittsöffnung (nicht dargestellt),
durch die der Kraftstoff in den Brennraum 12 gelangen kann,
freigegeben oder blockiert wird. Das Ventilelement 34 ist in
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
mit einem hydraulischen Koppler 36 verbunden, auf den weiter unten
im Detail eingegangen wird. Der hydraulische Koppler 36 ist
wiederum mit einem Piezoaktor 38 verbunden, der vom Steuer-
und Regelgerät 24 angesteuert
wird. Hierzu wird der Piezoaktor 38 auf eine bestimmte
Spannung geladen, durch welche sich ein in etwa zu der Spannung
proportionaler Hub des Piezoaktors 38 ergibt.
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Der
hydraulische Koppler 36 ist in 2 stärker im
Detail dargestellt. Er umfasst einen im Wesentlichen abgeschlossenen
Koppelraum 40, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Kraftstoff 42 gefüllt ist.
In den Koppelraum 40 ragt auf der einen Seite ein Kolben 44,
der mechanisch mit dem Piezoaktor 38 verbunden ist. Auf
der gegenüberliegenden Seite
des Koppelraums 40 ragt in diesen ein Kolben 46,
welcher wiederum mit dem Ventilelement 34 mechanisch gekoppelt
ist. Beide Kolben 44 und 46 sind längsverschieblich,
was durch Pfeile 48 und 50 angedeutet ist.
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Der
in 2 obere und mit dem Piezoaktor 38 verbundene
Kolben 44 hat einen größeren Durchmesser
als der in 2 untere und mit dem Ventilelement 34 verbundene
Kolben 46. Im Normalbetrieb dient der Koppelraum 40 zur Übersetzung
des Hubs des Piezoaktors 38. Ein bestimmter Hub des Piezoaktors 38 und
des mit ihm verbundenen Kolbens 44 wird nämlich als
ein größerer Hub
an den unteren Kolben 46 und das mit ihm verbundene Ventilelement 34 übertragen.
Hierdurch kann am Ventilelement 34 ein vergleichsweise
großer
Hub realisiert werden, obwohl der Piezoaktor 38 nur einen
vergleichsweise kleinen Hub zu leisten vermag.
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Bei
längeren
Standzeiten des Kraftfahrzeugs und der Brennkraftmaschine 10 kann
es am Piezoaktor 38 zu sogenannten "Depolarisationseffekten" kommen. Dieser Effekt
tritt verstärkt
bei vergleichsweise tiefen Temperaturen auf. Die Depolarisation des
Piezoaktors 38 kann dazu führen, dass der Piezoaktor 38 bei
den ersten Ansteuerungen nicht mehr in seine Ausgangslage zurückkehrt,
sondern einen positiven Resthub aufweist (die Länge des Piezoaktors 38 ist
also in diesem Falle nach der Ansteuerung größer als vor der Ansteuerung).
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Dies
kann unter Umständen
von dem hydraulischen Koppler 36 ausgeglichen werden: Wird nämlich der
Piezoaktor 38 so angesteuert, dass sich das Ventilelement 34 gegen
einen Anschlag bewegt, steigt der Druck des Kraftstoffs 42 im
Koppelraum 40 stark an.
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In
der Folge kann durch unvermeidliche Leckagen, beispielsweise an
den Führungen
der beiden Kolben 44 und 46, Kraftstoff aus dem
Koppelraum 40 austreten. Wenn sich nun der Piezoaktor 38 wieder
zusammenzieht, kann das Ventilelement 34 wieder in seine
geschlossene Ausgangsstellung zurückkehren, auch wenn am Piezoaktor 38 ein
gewisser Resthub verbleibt.
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Bei
vielen Betätigungsvorgängen der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 ist jedoch die Zeit,
während
der das Ventilelement 34 geöffnet ist, zu kurz, um den
oben beschriebenen Druckausgleich im Koppelraum 40 zuverlässig herbeiführen zu
können.
Die "Zeitkonstante" des Koppelraums 40 des
hydraulischen Kopplers 36 ist nämlich vergleichsweise groß. Somit
kann es in ungünstigen
Fällen
dazu kommen, dass das Ventilelement 34 in der geöffneten
Stellung verbleibt und Kraftstoff aus der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 ungewollt
austritt.
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In
einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
wirkt der untere Kolben des hydraulischen Kopplers nicht direkt
auf das Ventilelement, sondern auf ein Schaltventil, welches mittels
eines Servoprinzips das Ventilelement 34 ansteuert. In
dem oben beschriebenen Fall könnte
dieses Schaltventil in der offenen Stellung stehen bleiben. Auch
dies hätte
zur Folge, dass Kraftstoff aus der Kraftstoff-Sammelleitung 16 abströmt und über die
Rücklaufleitung 22 zum
Kraftstoffbehälter 20 zurückströmt.
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In
beiden Fällen
(mit/ohne Schaltventil) würde
der Aufbau eines günstigen
hohen Einspritzdruckes in der Kraftstoff-Sammelleitung 16 behindert werden.
Um dies zu verhindern, wird der Piezoaktor 38 noch vor
dem Starten der Brennkraftmaschine 10 gemäß dem in 3 beschriebenen
Verfahrens, welches im Steuer- und Regelgerät 24 als Computerprogramm
auf einem elektrischen Speichermedium abgelegt ist, polarisiert:
Das
Verfahren beginnt in einem Startblock 52. In einem Block 54 wird
abgefragt, ob eine Startanforderung für die Brennkraftmaschine möglicherweise
bevorsteht. Unter einer Startanforderung wird verstanden, dass ein
in 1 nicht gezeigter Anlasser betätigt wird, um die Brennkraftmaschine 10 in
Betrieb zu setzen. Man geht nun davon aus, dass eine solche Startanforderung 54 mit
hoher Wahrscheinlichkeit bevorsteht, also innerhalb kurzer Zeit
erfolgen wird, wenn dem Steuer- und Regelgerät 24 vom Entriegelungssensor 32 gemeldet
wird, dass das Türschloss des
Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut
ist, entriegelt wurde. Ferner wird davon ausgegangen, dass eine
solche Startanforderung möglicherweise
bevorsteht, wenn der Belegungssensor 30 des Fahrersitzes
des Kraftfahrzeugs dem Steuer- und Regelgerät 24 meldet, dass
der Benutzer auf dem Fahrersitz Platz genommen hat. Schließlich wird
auch noch dann auf die Möglichkeit einer
bevorstehenden Startanforderung geschlossen, wenn der Kontaktschalter 28 am
Zündschloss der
Brennkraftmaschine 10 meldet, dass der Benutzer den Zündschlüssel in
das Zündschloss
gesteckt hat.
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Ist
die Antwort im Block 54 ja, wurde also erfasst, dass eine
Startanforderung möglicherweise bevorsteht,
wird im Block 56 geprüft,
ob eine Zeit toff, die seit dem letzten Abstellen der Brennkraftmaschine 10 vergangen
ist, einen Grenzwert G1 mindestens erreicht hat. Hierdurch wird
der Tatsache Rechnung getragen, dass eine Polarisierung des Piezoaktors 38 nur
dann erforderlich ist, wenn die Brennkraftmaschine 10 über einen
längeren
Zeitraum nicht in Betrieb war.
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Ist
die Antwort im Block 56 ja, wird im Block 58 abgefragt,
ob die vom Temperatursensor 26 erfasste Temperatur T höchstens
gleich einem Grenzwert G2 ist. Bei der Temperatur T kann es sich
um die aktuell vom Temperatursensor 26 erfasste Temperatur
handeln, alternativ ist jedoch auch möglich, im Block 58 eine
durchschnittliche Temperatur T zu verwenden, welche zwischen dem
letzten Abstellen der Brennkraftmaschine 10 und dem aktuellen
Zeitpunkt geherrscht hat. Durch die Berücksichtigung der Temperatur
T der Brennkraftmaschine wird der Tatsache Rechnung getragen, dass
die Polarisationseffekte am Piezoaktor 38 verstärkt bei
tiefen Temperaturen auftreten.
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Ist
die Antwort im Block 58 ja, wird im Block 59 abgefragt,
ob ein Druck p in der Kraftstoff-Sammelleitung 16 höchstens
einem Grenzwert G3 entspricht. Ist die Antwort im Block 59 ja,
wird im Block 60 die Polarisierung des Piezoaktors 38 durchgeführt. Hierzu
wird an den Piezoaktor 38 über einen vergleichsweise langen
Zeitraum eine vergleichsweise hohe Spannung angelegt. Durch das
Polarisieren des Piezoaktors 38 wird erreicht, dass beim
nachfolgenden Anlassen der Brennkraftmaschine 10 der Piezoaktor 38 nach
der Ansteuerung wieder im Wesentlichen in seine Ausgangslage zurückkehrt.
Die Dauer der Polarisierung, sowie die am Piezoaktor 38 während der
Polarisierung anliegende Spannung, wird dabei vom Steuer- und Regelgerät 24 abhängig von
der Zeit toff, die seit dem Abstellen der Brennkraftmaschine 10 vergangen
ist, sowie der aktuellen Temperatur T der Brennkraftmaschine 10,
eingestellt. Dabei wird sie jedoch so eingestellt, dass sie mindestens
der Entladezeitkonstante des hydraulischen Kopplers 36 entspricht.
Das Verfahren endet im Block 62.