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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und
9.
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Ein
Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor geht beispielsweise
aus der
DE 100 32 022
A1 hervor. Der piezoelektrische Aktor dieses Einspritzventils
wird auf eine bestimmte Spannung geladen, die proportional einem
Hub des piezoelektrischen Aktors ist. Dieser Hub wird durch den
hydraulischen Koppler übersetzt,
der den unterschiedlichen Temperaturgang von Metall und Piezo-Keramik
kompensiert. Der Koppler wird während
des Betriebs mit Kraftstoff befüllt.
Aufgrund von Leckagen im Koppler während der Einspritzung, muß dieser
ständig
wiederbefüllt
werden. Aus diesem Grunde wird der Rücklauf des Injektors mit einem
externen Druck (Systemdruck) beaufschlagt. Der Druck wird mittels einer
sogenannten Druckhalteeinrichtung, in den meisten Fällen mittels
eines sogenannten Druckhalteventils, wie es beispielsweise aus der
DE 101 57 411 A1 hervorgeht,
erzeugt. Es ist anzumerken, daß alle
Einspritzventile, d.h. alle Injektoren der Brennkraftmaschine mit
einer Druckhalteeinrichtung betrieben werden. Fällt die Druckhalteeinrichtung
aus, d.h. liegt kein Systemdruck an den Injektoren aufgrund eines
Defekts der Druckhalteeinrichtung an, weil z.B. die Druckhalteeinrichtung
verschmutzt ist oder dergleichen, können die Injektoren nicht mehr
im gesamten Betriebsbereich betrieben werden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der eingangs
beschriebenen Art zu vermitteln, wel ches eine Funktionsüberprüfung der
Druckhalteeinrichtung während des
Betriebs ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren und bei einer Vorrichtung zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch
die Merkmale der Ansprüche
1 und 9 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung
sind Gegenstand der auf Anspruch 1 und 9 jeweils rückbezogenen
Unteransprüche.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung weisen den Vorteil auf, daß die Funktionsfähigkeit
der Druckhalteeinrichtung auf elektrischem Wege durch Überwachung/Messung
der Ansteuerspannung und Rückschluß auf den
sogenannten Spannungsbedarf der auch als Injektoren bezeichneten
Einspritzventile während
des Betriebs überprüft werden
kann. Dieser Spannungsbedarf erhöht
sich, wenn die Druckhalteeinrichtung nicht funktionsfähig ist.
Der Spannungsbedarf eines Einspritzventils mit piezoelektrischem
Aktor steht nämlich
im Zusammenhang mit dem Befüllungsgrad
des hydraulischen Kopplers, der seinerseits von Randbedingungen,
wie z.B. der Anzahl und dem Abstand der Einspritzung und der Höhe des Systemdrucks
und dergleichen abhängt.
Wird der Befüllungsgrad
schlechter, so steigt der Spannungsbedarf des Injektors. Wenn der
Spannungsbedarf mehrerer Einspritzventile (Injektoren) der Brennkraftmaschine
gleichzeitig zunimmt, können
injektorindividuelle Veränderungen, wie
z.B. ein Aktorhubverlust, eine erhöhte Kolbenreibung im Koppler
und dergleichen ausgeschlossen werden, so daß in diesem Falle – unter
der Voraussetzung, daß die
Rückleitungen
nicht defekt sind, wovon vorliegend ausgegangen wird – auf einen
verminderten Systemdruck in Form einer defekten Druckhalteeinrichtung
geschlossen werden kann.
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Rein
prinzipiell genügt
es, die Ansteuerspannung mehrerer Injektoren der Brennkraftmaschine
zu bestimmen, mit dem vorgebbaren Spannungswert zu vergleichen und
aufgrund dieser Vergleiche auf die Funktionsfähig der Druckhalteinrichtung
zu schließen.
Da durch die Erfassung der Ansteuerspannung mehrerer Injektoren
Fehler, die von einem einzigen Injektor herrühren, ausgeschlossen werden
können.
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Bevorzugt
wird jedoch der Spannungsbedarf jedes Injektors der Brennkraftmaschine
bei einem vorgegebenen Druck bestimmt, jeweils mit dem vorgebbaren
Wert verglichen und aufgrund dieser Vergleiche auf die Funktionsfähigkeit
der Druckhalteeinrichtung geschlossen.
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Dabei
wird auf einen Defekt der Druckhalteeinrichtung dann geschlossen,
wenn der Spannungsbedarf mehrerer, insbesondere sämtlicher
Einspritzventile (Injektoren), gleichzeitig zunimmt. Hierdurch können auf
einfache Weise Fehler, die durch injektorindividuelle Veränderungen,
z.B. ein Aktorhubverlust, eine erhöhte Kolbenreibung im Koppler
und dergleichen, hervorgerufen werden, ausgeschlossen werden, so
daß nur
ein verminderter Druck im Koppler aufgrund einer defekten Druckhalteeinrichtung
als Fehlerquelle in Frage kommen kann.
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Wenn
auf einen Defekt der Druckhalteeinrichtung geschlossen wird, wird
dem Fahrer in einer Anzeigeeinrichtung ein Fehler angezeigt und/oder
in einer Schaltungseinrichtung eine Notlaufprogramm gestartet und/oder
in einem Speicher ein Fehlereintrag vorgenommen und/oder in einer
Schaltungseinheit eine Erhöhung
der Ansteuerspannung der Injektoren vorgenommen. Hierdurch wird
sichergestellt, daß das
Fahrzeug zumindest in einem Notlaufprogramm betrieben werden kann,
das dem Fahrer angezeigt wird. Der Eintrag des Fehlers in einem
Fehlerspeicher ermöglicht
eine schnellere Auffindung des Fehlers bei einem Werkstattbesuch.
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Der
Spannungsbedarf der Injektoren wird dabei vorteilhafterweise jeweils
durch Erfassung des Spannungsabfalls an den piezoelektrischen Aktoren nach
einem Ladevorgang bestimmt.
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Vorzugsweise
wird der Spannungsbedarf der piezoelektrischen Aktoren aus der Differenz
der an den piezoelektrischen Aktoren anliegenden Spannung unmittelbar
nach dem Ladevorgang und der an den piezoelektrischen Aktoren anliegenden
Spannung unmittelbar vor jeweils einem darauffolgenden Entladevorgang
bestimmt. Auf diese Weise kann – wie dies
in der nicht vorveröffentlichten
DE 103 15 815 der Anmelderin
detailliert beschrieben ist – eine aufwendige
und kostenintensive Bestimmung des Spannungsbedarfs, beispielsweise
durch eine Variation der Ansteuerspannung, entfallen.
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Bevorzugt
wird der Spannungsbedarf jedes Injektors aus jeweils einer Kennlinie
entnommen, die den Zusammenhang zwischen dem Spannungsbedarf und
der Differenz der an den piezoelektrischen Aktoren anliegenden Spannung
unmittelbar nach dem Ladevorgang und der an den piezoelektrischen Aktoren
anliegenden Spannung unmittelbar vor jeweils einem darauffolgenden
Entladevorgang repräsentiert.
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Zur
kontinuierlichen Überwachung
der Druckhalteeinrichtung wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Spannungsbedarf während
des Betriebs der Brennkraftmaschine unter vorgebbaren Randbedingungen
wiederholt bestimmt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventils;
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2 schematisch
die Spannung über
der Ansteuerzeit beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Aktors
eines Einspritzventils;
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3 schematisch
eine Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes,
auch kurz als Injektor bezeichnete, Einspritzventil 1 mit
einer zentralen Bohrung. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 3 mit
einem piezoelektrischen Aktor 2 in die zentrale Bohrung
eingebracht, wobei der Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest
verbunden ist. Der Stellkolben 3 schließt nach obenhin einen hydraulischen
Koppler 4 ab, während
nach unten eine Öffnung
mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen
ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Ventilschließglied 12 angeordnet
ist.
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Das
Ventilschließglied 12 ist
als doppelt schließendes
Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6,
wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des
Aktors 2, das heißt beim
Anlegen einer Ansteuerspannung U an die Klemmen +, -, betätigt der
Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den
hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Ventilschließglied 12 in
Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten
Sitzes 7 ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angeordnet,
die den Auslauf in einem Hochdruck-(Common-Rail-Druck)-Kanal 13 schließt oder öffnet, je
nachdem, welche Ansteuerspannung U anliegt.
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Der
Hochdruck wird durch das einzuspritzende Medium (beispielsweise
Kraftstoff) über
einen Zulauf 9 zugeführt, über eine
Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird
die Zuflußmenge
des Mediums in Richtung der Düsennadel 11 und
des hydraulischen Kopplers 4 gesteuert. Der hydraulische
Koppler 4 hat dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu
verstärken
und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung
des Aktors 2 zu entkoppeln.
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Die
Wiederbefüllung
des Kopplers
4 ist in
1 nur schematisch
dargestellt. Der Koppler
4 wird während des Betriebs mit Kraftstoff über eine Leitung
14 befüllt. Aufgrund
von weiter unten noch näher
erläuterten
Leckagen im Koppler
4 während der
Einspritzung muß dieser
nämlich
ständig
wiederbefüllt
werden. Durch eine Druckhalteeinrichtung
15, die beispielsweise
durch ein Druckhalteventil, wie es z.B. aus der
DE 101 57 411 A1 , insbesondere
aus den dortigen Absätzen
[0021] und [0022], auf die vorliegend Bezug genommen wird, hervorgeht,
wird im Koppler
4 ein Druck P1, der sogenannte Kopplerdruck,
erzeugt. Dieser Druck beträgt
zwischen 5 bar und 10 bar. Alle Injektoren
1 der Brennkraftmaschine werden
mit dieser oder mit einer derartigen Druckhalteeinrichtung betrieben.
Ein Defekt der Druckhalteeinrichtung, beispielsweise ein Druckabfall,
führt auch
zu einem Defekt des gesamten Einspritzventils
1, so daß dieses
nicht weiterbetrieben werden kann.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise dieses Einspritzventils 1 näher erläutert. Bei
jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in
Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich
auch der Kolben 5 mit dem Ventilschließglied 12 in Richtung
des zweiten Sitzes 7. Über
Leckspalte wird dabei ein Teil des im hydraulischen Koppler 4 befindlichen
Mediums, also Kraftstoff, herausgedrückt. Der hydraulische Koppler 4 muß daher – wie vorstehend
bereits erwähnt – zwischen
zwei Einspritzungen wiederbefüllt
werden, um seine Funktionssicherheit zu erhalten.
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Über den
Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der bei einem Common-Rail-System
beispielsweise zwischen 200 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck
wirkt gegen die Düsennadel 11 und
hält sie
geschlossen, so daß kein
Kraftstoff austreten kann. Wird nun infolge der Ansteuerspannung U
der Aktor 2 betätigt
und damit das Ventilschlußglied 12 in
Richtung des zweiten Sitzes bewegt, baut sich der Druck im Hochdruckbereich
ab und die Düsennadel 11 gibt
den Einspritzkanal frei.
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Eine
Längenänderung
des piezoelektrischen Aktors 2 wird durch Beaufschlagung
des piezoelektrischen Aktors 2 mit einem Strom in einem
ersten Zeitintervall Δ t1 (vergl. 2) erreicht.
Das erste Zeitintervall Δ t1 ist der Ladevorgang des piezoelektrischen Aktors 2.
In diesem Intervall wird der piezoelektrische Aktor 2 auf
eine maximale Spannung Umax aufgeladen.
In einem weiteren Zeitintervall Δ t2 findet der Entladevorgang des piezoelektrischen
Aktors 2 statt. In einem dritten Zeitintervall Δ t3, das zwischen diesen beiden Intervallen
liegt, wirkt der piezoelektrische Aktor 2 wie ein Sensor,
bei dem jegliche Längen-/Kraftänderungen
zu Spannungsänderungen führen. Der
zeitliche Verlauf der Spannung im Intervall Δ t3 hängt nun
davon ab, mit welcher Spannung der piezoelektrische Aktor 2 unmittelbar
nach dem Ladevorgang, das heißt
am Ende des Intervalls Δ t1 beaufschlagt wird. Es wurde in umfangreichen
Meßreihen
festgestellt, daß die
Spannung kontinuierlich abnimmt, bis sie sich einer Spannung unmittelbar
vor dem Entladevorgang, in 2 als URegel bezeichnet, asymptotisch nähert.
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Es
wird nun bei einem bestimmten Druck die Spannungsdifferenz ΔU zwischen
der Maximalspannung Umax und der Spannung
unmittelbar vor dem Entladevorgang URegel erfaßt. Diese
Spannungsdifferenz resultiert daraus, daß der Stellkolben 3 nach dem
Abschalten des Ladestroms noch einen Weg zurücklegt, da sich der piezoelektrische
Aktor 2 weiter ausdehnt. Ist diese Spannungsdifferenz ΔU beispielsweise
groß,
so muß das
Schaltventil nach Abschalten des Ladestroms noch einen weiten Weg
zurücklegen,
wodurch die Spannung im sensorischen Bereich des piezoelektrischen
Aktors 2 stärker
sinkt, da sich der Aktor 2 weiter dehnt, als es bei einem
Injektor 1 der Fall ist, bei dem das Schließglied 12 durch
den Stellkolben 3 schon sehr nahe hin zu dem zweiten Sitz 7 bewegt
wurde. In diesem Falle ist ΔU klein.
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Diese
Spannungsdifferenz ΔU
korreliert mit dem individuellen Spannungsbedarf des Injektors
1. Wenn
die Spannungsdifferenz ΔU
groß ist,
ist auch der Spannungsbedarf des piezoelektrischen Aktors
2 groß und umgekehrt.
Entsprechend verhält
sich ein solches Einspritzventil
1 bei Temperaturänderungen. Steigt
die Temperatur, so erhöht
sich der Spannungsbedarf und entsprechend erhöht sich die Spannungsdifferenz ΔU. Derartige
piezoelektrische Aktoren
2 benötigen eine individuelle Ansteuerspannung,
weil der Sitzdurchmesser, der Aktorhub, die Reibung etc. Streuungen
unterworfen sind, welche sich auf den Spannungsbedarf auswirken.
Die Ermittlung der individuellen Ansteuerspannung der Injektoren
ist in der nicht vorveröffentlichten
DE 103 15 815 , dort Seite
7, Zeilen 15 ff beschrieben, auf die vorliegend Bezug genommen wird.
Hierzu wird – wie
vorstehend bereits erläutert
- die jeweils an den piezoelektrischen Aktoren
2 anliegende
Spannung unmittelbar nach einem Ladevorgang und unmittelbar vor
einem dem Ladevorgang folgenden Entladevorgang erfaßt und voneinander
subtrahiert ΔU
= U
max – U
Regel. Aus diesen Differenzen wird auf die
individuelle Ansteuerspannung der piezoelektrischen Aktoren
2 und
damit auch auf deren Spannungsbedarf geschlossen. Die individuelle
Ansteuerspannung oder der Spannungsbedarf wird vorteilhafterweise
einer Kennlinie entnommen, die den Zusammenhang zwischen der Differenz ΔU und dem
Spannungsbedarf repräsentiert.
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Aufgrund
der Ansteuerspannung mehrerer Injektoren 1, und damit des
Spannungsbedarfs dieser Injektoren 1 kann nun auf die Funktionsweise
der Druckhalteeinrichtung 15 zurückgeschlossen werden. Es vergrößert sich
nämlich
gleichzeitig der Spannungsbedarf aller Injektoren 1 der
Brennkraftschine, wenn die Druckhalteeinrichtung 15 nicht funktionsfähig ist.
In diesem Falle muß in
ein Notlaufprogramm geschaltet und dem Fahrer eines Fahrzeugs signalisiert
werden, eine Werkstatt aufzusuchen. Außerdem wird das Fehlersignal
in einem Fehlerspeicher eines an sich bekannten Steuergeräts (nicht
dargestellt) eingetragen, so daß die
Fehlersuche in der Werkstatt erheblich verkürzt werden kann. Während des
Notlaufs werden vorzugsweise etwaige Vor- und Nacheinspritzungen
ausgeschaltet, um die Injektorbelastung, oder genauer die Belastung
des Kopplers 4 zu verringern und so auch ein Weiterfahren
bei ausgefallener Druckhalteeinrichtung 15 zu gewährleisten.
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3 zeigt
den Ablauf des Verfahrens in einer Steuereinrichtung. In einem Subtrahierer 310 wird
die Spannungsdifferenz ΔU
zwischen der Maximalspannung des Injektors Umax und
der Spannung unmittelbar vor dem Entladevorgang URegel gebildet. In 4 ist dies schematisch anhand des ersten
Injektors 1 (Index 1) dargestellt. In entsprechender Weise
werden auch die Spannungsdifferenzen ΔU der anderen Injektoren 1 gebildet.
Diese Differenzen werden wiederholt während des Betriebs der Brennkraftmaschine
unter definierten Randbedingungen, d.h. bei vorgebbaren Drehzahlen,
bei einem vorgebbaren Rail-Druck,
bei einer vorgebbaren Motortemperatur, bei vorgebbaren Lade-/Entladezeiten
und bei einer vorgebbaren Anzahl der Einspritzungen überwacht.
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Die
Spannungsdifferenz ΔU
wird mit einer vorgebbaren Spannungsgröße ΔUsoll verglichen,
wobei – wie
in 4 dargestellt – in einem weiteren Subtrahierer 320 die
Differenz der so gebildeten Spannungsdifferenz ΔU und der vorgegebenen Spannungsgröße ΔUsoll gebildet wird. Wenn diese Differenz,
in 4 mit x1 bezeichnet, eine vorgebbare
Grenze ΔUGrenze, die von der Drehzahl, dem Rail-Druck,
der Motortemperatur, der Lade/Entladezeit, der Anzahl der Einspritzungen,
der Höhe
der Ansteuerspannung abhängt,
in 4 kurz mit y bezeichnet, überschreitet,
was in einer Vergleichereinrichtung 330 geprüft wird,
wird ein Steuersignal z auf den Wert 1 gesetzt und einer
weiteren Vergleichereinrichtung 340 zugeführt. Dieser
Vergleichereinrichtung 340 werden auch Signale, die bei
den anderen N Injektoren auf entsprechende Weise ermittelt wurden,
zugeführt.
Es wird in der Vergleichereinrichtung 340 festgestellt,
ob sämtliche
Signale z1, z2,
... zN den Wert 1 aufweisen. Wenn
dies der Fall ist, wird ein Signal zN+1 auf
den Wert 1 gesetzt und einer Schaltungseinheit 350 zugeführt. In
dieser Schaltungseinheit 350 wird auf einen Fehler geschlossen,
wenn dieses Signal zN+1 den Wert 1 aufweist.
In diesem Falle wird in einer Anzeigeeinrichtung 352 ein
Fehler angezeigt und/oder in einer Schaltungseinrichtung 354 ein
Notlaufprogramm gestartet und/oder in einem Speicher 356 ein
Fehlereintrag vorgenommen und/oder in einer Schaltungseinheit 358 eine
Erhöhung
der Ansteuerspannung vorgenommen. Sämtliche vorstehenden Schaltungseinheiten 310 bis 358 können Teil
eines (nicht dargestellten) Steuergeräts sein, sie können auch
mittels eines in dem Steuergerät
ablaufenden Programms realisiert werden.
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Mit
dem vorgeschriebenen Verfahren ist es möglich, den Spannungsabfall ΔU wiederholt,
vorzugsweise regelmäßig während des
Betriebs unter definierten Randbedingungen, d.h. bei definierter Drehzahl,
bei definiertem Rail-Druck, definierter Motortemperatur, definierter
Lade-/Entladezeit sowie bei einer vorgebbaren Anzahl der Einspritzungen
zu überwachen
und mit vorgebbaren Werten zu vergleichen. Wenn nun die Druckhalteeinrichtung
nicht mehr in der Lage ist, beispielsweise aufgrund eines Defekts,
den Kopplerdruck P1 aufrechtzuerhalten, vergrößert sich
der Spannungsabfall ΔU
aller an der Druckhalteeinrichtung 15 angeschlossener Injektoren 1.
Aufgrund dieser Vergrößerung wird
auf einen Defekt der Druckhalteeinrichtung 15 geschlossen und
es werden entsprechende Maßnahmen
in der Brennkraftmaschine ergriffen.