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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Temperaturverhaltens
eines Einspritzventils mit einem Piezoaktor. Die Erfindung betrifft
weiterhin ein Prüfsystem
für ein
Einspritzventil, mit dem das Temperaturverhalten eines Einspritzventils
bestimmt werden kann.
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Piezoaktoren
weisen üblicherweise
eine Piezokeramik auf, die einen Temperaturausdehnungskoeffizienten
aufweist. Bei Verwendung des Piezoaktors in einem Einspritzventil
für eine
Brennkraftmaschine ist ein festgelegter Ausdehnungskoeffizient wichtig,
da die Funktion des Einspritzventils über einen großen Temperaturbereich
gewährleistet
sein muss. Insbesondere bei der Heißstartproblematik ist wichtig,
dass die temperaturbedingte Ausdehnung der Piezokeramik nicht die
gewünschte
Funktion des Einspritzventils beeinträchtigt.
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Nach
der Herstellung von Einspritzventilen werden die Einspritzventile
einer Qualitätskontrolle unterzogen.
Insbesondere die für
die Heißstartproblematik
wichtigen Parameter, wie beispielsweise die Temperaturabhängigkeit
der Leerhubveränderung und
der Ausdehnungskoeffizient der Piezokeramik werden hierbei erfasst
und bewertet. Da diese Messung sehr aufwändig ist und das Einspritzventil
dazu in besonderer Weise vorbereitet werden muss, kann nur eine
geringe Anzahl von Einspritzventilen pro Tag vermessen werden. Vor
allem ist es nachteilig, dass bei der Messung der entsprechenden
Parameter das Einspritzventil vorbereitet werden muss und aufgrund des
Eingriffs nach der Vermessung daher nicht mehr verkäuflich ist.
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Aus
der Druckschrift
DE
198 58 406 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Steuerung eines Piezoaktors der Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen
bekannt. Eine durch eine Temperaturänderung des Piezoaktors hervorgerufene
Längenänderung
wird kompensiert, indem zu bestimmten Zeitpunkten der Wert eines
ohmschen Widerstands erfasst und ausgehend von dem Wert des Widerstands
auf die Temperatur des kapazitiven Elements geschlossen wird.
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Aus
der Druckschrift
DE
198 26 341 A1 ist ein Ausgleichselement in einem Einspritzventil
vorgesehen, um eine durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Längenänderung
eines Piezoaktors auszugleichen.
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Die
Druckschrift
DE 198
51 285 C1 offenbart ein Verfahren zum Prüfen eines
Einspritzventils, in dem ein im Einspritzventil gemessener Druckverlauf mit
dem Stellvorgang des in dem Einspritzventil vorhandenen Aktors korreliert
wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung
eines Temperaturverhaltens eines Einspritzverhal tens mit einem Piezoaktor
zur Verfügung
zu stellen, das in einfacher Weise durchgeführt werden kann und bei dem
der Piezoaktor nicht in besonderer Weise vorbehandelt werden muss,
um die Messung durchzuführen.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Prüfsystem
zur Verfügung
zu stellen, mit dem ein solches Verfahren durchgeführt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch das
Prüfsystem
nach Anspruch 11 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung
eines Temperaturverhalten eines Einspritzventils mit einem Piezoaktor
vorgesehen. Dabei wird das Einspritzventil so elektrisch angesteuert,
dass eine Erwärmung
in dem Piezoaktor auftritt, wobei eine oder mehrere charakteristische
Größen des
Einspritzventils zumindest nach der Ansteuerung gemessen werden,
um das Temperaturverhalten des Einspritzventils zu bestimmen.
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Während bisher
das Einspritzventil zum Messen der charakteristischen Größen auf
eine entsprechende Temperatur erwärmt wurde, indem das Einspritzventil
in eine entsprechende Temperaturumgebung eingebracht wurde, sieht
die Erfindung nun vor, dass der Piezoaktor in dem Einspritzventil
erwärmt
wird, indem er elektrisch in geeigneter Weise angesteuert wird,
so dass die Erwärmung
elektrisch erfolgt. Dies ermöglicht
es, den Piezoaktor ohne Eingriff in das Einspritzventil gezielt
und in reproduzierbarer Weise zu erwärmen. Dadurch entfällt es,
die Einspritzventile vor dem Vermessen in besonderer Weise vorzubehandeln.
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Insbesondere
kann als charakteristische Größe die Leerhuberspannung
des Piezoaktors gemessen werden, wobei die Leerhubspannung eine Spannung
angibt, die an den Piezoaktor angelegt sein muss, bevor eine Änderung
des Durchlassverhaltens des Einspritzventils auftritt.
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Alternativ
oder gleichzeitig kann als charakteristische Größe die Standleckage des Einspritzventils
gemessen werden, wobei die Standleckage den Druckabfall in dem Einspritzventil
pro Zeiteinheit angibt, wenn der Piezoaktor elektrisch nicht angesteuert
wird. Leerhubspannung sowie Standleckage bei bestimmten Temperaturen
sind charakteristische Größen zur
Bestimmung des Temperaturverhaltens eines Einspritzventils.
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Um
die Erwärmung
des Piezoaktors zu erreichen, kann der Piezoaktor mit einer vorbestimmten Frequenz
für eine
vorbestimmte Zeitdauer oder für eine
vorbestimmte Anzahl von Perioden angesteuert werden. Durch das Anlegen
einer Frequenz an den Piezoaktor, der üblicherweise in kapazitiver
Weise aufgebaut ist, wird dort eine Leistung verbraucht, die in
Wärme umgewandelt
wird. Auf diese Weise lässt sich
mit der Ansteuerung eine bestimmte, genau definierbare Energiemenge
in den Piezoaktor einbringen, die dort in Wärme umgewandelt wird. Dies
ermöglicht
es, den Piezoaktor von innen heraus gezielt zu erwärmen, so
dass der Piezoaktor eine definierte Temperatur erreicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Piezoaktor elektrisch in
mehreren Zyklen angesteuert wird, wobei die charakteristische Größe des Einspritzventils
nach jedem Zyklus gemessen wird. Auf diese Weise lässt sich
das Verhalten des Einspritzventils in einem bestimmten Temperaturbereich
bei verschiedenen Temperaturen ermitteln.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung können
eine oder die mehreren ermittelten, charakteristischen Größen mit
einem jeweiligen Sollwert verglichen werden, wobei das Einspritzventil
als fehlerhaft erkannt wird, wenn die ermittelten charakteristischen
Größen kleiner
oder größer sind als
der jeweilige Sollwert.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform kann
ermittelt werden, nach welcher Anzahl von Zyklen die eine oder die
mehreren charakteristischen Größen einen
jeweiligen Sollwert über
oder unterschreiten. Anschließend
kann die ermittelte Anzahl von Zyklen mit einer Mindestanzahl von
Zyklen verglichen werden, wobei das Einspritzventil als fehlerhaft
erkannt wird, wenn die Anzahl der Zyklen kleiner ist als eine vorgegebene
Sollanzahl.
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Um
eine Erwärmung
des Piezoaktors um verschiedene Temperaturdifferenzen zu erreichen, kann
der Piezoaktor in mehreren Zyklen mindestens auf zwei verschiedene
Weisen elektrisch angesteuert werden. Insbesondere kann in einem
ersten Zyklus eine höhere
Leistung in dem Piezoaktor über
die elektrische Ansteuerung eingebracht werden als in dem zweiten
nachfolgenden Zyklus.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Prüfsystem
für ein
Einspritzventil vorgesehen, das eine Schnittstelle zum Anschließen eines
Einspritzventils, eine Ansteuereinheit und eine Messeinheit aufweist.
Die Ansteuereinheit dient dazu, ein Temperaturverhalten eines Einspritzventils zu
bestimmen, indem ein Piezoaktor des Einspritzventils so elektrisch
angesteuert wird, dass eine Erwärmung
auftritt. Die Messeinheit misst eine oder mehrere charakteristische
Größen des
Einspritzventils nach der Ansteuerung, um das Temperaturverhalten
des Einspritzventils zu bestimmen.
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Das
erfindungsgemäße Prüfsystem
ermöglicht
es, ein Einspritzsystem, ohne eine Vorbehandlung zu überprüfen, um
das Temperaturverhalten des Einspritzventils zu ermitteln. Dabei
ist es möglich,
einen Piezoaktor in dem Einspritzventil ohne Ver änderung an dem Einspritzventil
zu bestimmen, indem der Piezoaktor elektrisch angesteuert wird,
um diesen zu erwärmen
und während
und/oder nach der Ansteuerung charakteristische Größen des
Einspritzventils zu messen, um daraus das Temperaturverhalten zu ermitteln.
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Insbesondere
kann das Prüfsystem
eine Vergleichereinheit aufweisen, um durch Vergleichen mit einem
Sollwert zu bestimmen, ob ein angeschlossenes Einspritzventil fehlerhaft
ist oder nicht. Dabei kann der Sollwert beispielsweise eine Leerhubspannung
und/oder eine Standleckage des Einspritzventils sein oder eine Anzahl
von Ansteuerzyklen, nach denen die charakteristische Größe außerhalb
eines vorbestimmten Sollbereichs liegt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Prüfsystem
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 die
Abhängigkeit
der Leerhubspannungen des ersten und des zweiten Piezoaktors nach verschiedenen
Anzahlen von Ansteuerzyklen, und
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3 ein
Diagramm, das die Standleckage des Einspritzventils mit dem ersten
Piezoaktor und einem Einspritzventil mit dem zweiten Piezoaktor nach
eine veränderlichen
Zahl von Ansteuerzyklen zeigt.
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In 1 ist
ein Prüfsystem 1 für ein Einspritzventil 2 schematisch
dargestellt. Das Prüfsystem
weist eine Schnittstelle 3 auf, an der das Einspritzventil 2 anschließbar ist.
Die Schnittstelle 3 dient zum Anschließen von elektrischen Anschlüssen des
Einspritzventils 2 an das Prüfsystem 1, so dass mithilfe
einer in dem Prüfsystem 1 vorgesehenen
Ansteu ereinheit 5 das Einspritzventil 2 elektrisch
angesteuert werden kann. Diese Schnittstelle 3 umfasst auch
einen Druckanschluss, der mit einer Prüfmediumzuführungsleitung 8 verbunden
werden kann, um das Einspritzventil mit einer Druckpumpe 12 des Prüfsystems 1 zum
Bereitstellen eines Prüfmediums unter
Druck zu verbinden.
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Anstelle
der Druckpumpe 12 kann auch eine andere Versorgungsquelle
für den
Prüfdruck,
wie z. B. ein Maximator, eine Druckleitung bzw. Gasflaschen, vorgesehen
sein.
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Das
Einspritzventil 2 weist einen Piezoaktor 6 auf.
Der Piezoaktor 6 ist mithilfe einer Piezokeramik aufgebaut,
an die ein elektrisches Feld angelegt wird, so dass in der Piezokeramik
eine Längenänderung hervorgerufen
wird, die als Stellhub einen entsprechenden Steuerstift 7 bewegt,
mit dem das Einspritzventil 2 geöffnet und geschlossen werden
kann. Das Einspritzventil 2 weist weiterhin die Prüfmediumzuführungsleitung 8 auf, über das
Prüfmedium
zuführbar
ist und eine Prüfmediumauslassleitung 9, über die
das zugeführte
Prüfmedium
im geöffneten
Zustand des Einspritzventils 2 (über die Ventilöffnung und über die
Schaltleckage) abgeführt
wird. Die Prüfmediumzuführungsleitung 8 ist über die
Schnittstelle 3 mit einem Drucksensor 10 verbunden,
der mit einer Messeinheit 11 des Prüfsystems 1 elektrisch
verbunden ist, um den Druck des Prüfmediums an der Prüfmediumzuführungsleitung 8 zu
messen.
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Um
mit einem Prüfsystem 1 das
Temperaturverhalten des Einspritzventils 2 zu überprüfen, war
es bisher notwendig, den Piezoaktor 6 des Einspritzventils 2 gezielt
zu erwärmen.
Dazu musste das Einspritzventil in geeigneter Weise vorbehandelt
werden, um den Piezoaktor in vorgegebener Weise auf eine bestimmte
Temperatur zu erwärmen.
Ein so vorbehandeltes Einspritzventil konnte anschließend nicht
mehr weiterverwendet werden und war damit Ausschuss.
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Das
Temperaturverhalten eines Einspritzventils ist von besonderem Interesse,
da es bei einem Einsatz in einer Brennkraftmaschine in einem großen Temperaturbereich
zuverlässig
funktionieren muss. Um die Funktionsfähigkeit des Einspritzventils zu
bestimmen, werden Parameter wie Leerhubspannung und Standleckage
verwendet, mit denen das Einspritzventil charakterisiert werden
kann. Unter einer Leerhubspannung versteht man eine Spannung, die
an dem Piezoaktor angelegt sein muss, bevor eine Änderung
des Durchlassverhaltens des Einspritzventils auftritt, d. h. die
Leerhubspannung gibt die angelegte Spannung an, bei der das Einspritzventil
vom geschlossenen in einen geöffneten
Zustand übergeht.
Bei einem ordnungsgemäßen funktionsfähigen Einspritzventil
liegt die Leerhubspannung in einem vorbestimmten Spannungsbereich
z. B. zwischen 22 und 26 und sinkt auch bei hoher Temperatur nicht
unter ca. 5 V.
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Die
Standleckage des Einspritzventils entspricht einem Druckabfall in
dem Einspritzventil pro Zeiteinheit, wenn der Piezoaktor elektrisch
nicht angesteuert wird, d. h. wenn an seinen elektrischen Anschlüssen eine
Spannung von 0 V anliegt. Die Standleckage beträgt bei einem funktionstüchtigen
Einspritzventil z. B. zwischen 0,2 und 0,4 bar pro Sekunde und ist
bei einem entsprechend fehlerhaften oder nicht zum späteren Einsatz
geeigneten Einspritzventil entsprechend größer, z. B. größer als
0,5 bar pro Sekunde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung
des Temperaturverhaltens eines Einspritzventils kommt es darauf
an, dass das Einspritzventil über
den gesamten Temperaturbereich, dem das Einspritzventil ausgesetzt
sein kann eine Leerhubspannung größer als eine bestimmte Soll-Leerhubspannung
und eine Standleckage aufweist, die geringer ist als eine Maximalstandleckage.
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Da
das Temperaturverhalten eines solchen Einspritzventils bei verschiedenen
Temperaturen des Piezoaktors durchgeführt werden muss, ist es notwendig,
den Piezoaktor in geeigneter Weise zu erwärmen. Hierzu wurde festgestellt,
dass sich in einfacher Weise eine Erwärmung eines Piezoaktors erreichen lässt, indem
eine Wechselspannung an seine Anschlüsse angelegt wird. Somit ist
es erfindungsgemäß vorgesehen,
die Leerhubspannung und/oder die Standleckage bei einer Temperatur
zu bestimmen, die der Piezoaktor durch eine vorbestimmte elektrische
Ansteuerung eingenommen hat. Dazu wird der Piezoaktor mit einer
vorbestimmten Frequenz für eine
vorbestimmte Anzahl von Schwingungsperioden bzw. für eine vorbestimmte
Zeitdauer angesteuert, so dass dem Piezoaktor eine bestimmte Energiemenge zugeführt wird.
Dies bewirkt eine definierte Erwärmung
in dem Piezoaktor, die für
gleichartige Einspritzventile reproduzierbar ist. Beispielsweise
können
die Piezoaktoren der Einspritzventile bei 500 Hz für 50000
Pulse angesteuert werden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren
wird zunächst
die Standleckage des Einspritzventils gemessen, wobei die Pumpe 12 das
Einspritzventil mit einem vorbestimmten Messdruck beaufschlagt.
Die Pumpe 12 pumpt ein Prüfgas (Luft oder Stickstoff)
bzw. eine Prüfflüssigkeit
(eine Kraftstoffflüssigkeit,
eine Flüssigkeit
gleicher Viskosität
oder eine andere Flüssigkeit)
in die Prüfmediumzuführungsleitung 8 und
baut dort bei geschlossenem Einspritzventil 2 einen Messdruck
auf. Der vorgeschriebene Messdruck wird in der Regel empirisch ermittelt und
ist für
die Dauer des Verfahrens fest eingestellt (z.B. auf 40 bar), um
zuverlässige
Vergleichswerte zu erhalten. Anschließend wird der Piezoaktor des
Einspritzventils mit einem Spannungssignal einer Frequenz für eine bestimmte
Zeit bzw. eine bestimmte Anzahl von Impulsen angesteuert, wodurch
sich der Piezoaktor erwärmt.
Da sich in der kurzen Zeit lediglich die Piezokeramik des Piezoaktors
nicht aber das umgebende Gehäuse
des Einspritzventils erwärmt, dehnt
sich die Piezokeramik aus und bewegt den Ventilstift in eine Öffnungsrichtung.
Bei einer anschließenden
Messung der Standleckage wird diese größer sein als bei der ersten
Messung. Die Anzahl der bei der elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors
angelegten Pulse in Verbindung mit dem ursprünglich eingestellten Leerhub
in dem Einspritzventil bestimmt ein Maß für den Ausdehnungsweg des Piezoaktors.
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Weiterhin
kann gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens
die Leerhubspannung des Einspritzventils vor und nach einer elektrischen
Ansteuerung vorgenommen werden, wobei jeweils mit Hilfe einer Spannungsrampe, die
jeweils an den Piezoaktor 6 des Einspritzventils 2 bei
zuvor definiertem Druck des Prüfmediums
an der Prüfmediumzuführungsleitung
angelegt wird, die Spannung bei einer Änderung des Durchlasszustandes
des Einspritzventils gemessen werden. Der Durchlasszustand entspricht
einem geöffneten
bzw. geschlossenen Ventil, wobei anhand des Druckabfalls pro Zeiteinheit
zuvor definiert wird, bis zu welchem Durchfluss des Prüfmediums
das Einspritzventil geschlossen und ab welchem Durchfluss des Prüfmediums
das Einspritzventil geöffnet
ist. Die Änderung
der Leerhubspannungen des Piezoaktors des Einspritzventils 2 vor
und nach der Ansteuerung sind ebenfalls charakteristische Größen für das Temperaturverhalten
des Einspritzventils.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird die elektrische Ansteuerung zyklisch wiederholt,
wobei die elektrische Ansteuerung mit gleicher oder unterschiedlicher
Frequenz für
eine gleiche oder unterschiedlich lange Zeitdauer erfolgen kann. Nach
jedem Ansteuerzyklus wird die Leerhubspannung (siehe 2)
und/oder die Standleckage (siehe 3) gemessen
und mit einem dafür
vorgesehenen jeweiligen Sollwert verglichen. Ein funktionsfähiges, d.
h. brauchbares Einspritzventil liegt vor, wenn die Leerhubspannung
nicht unter eine vorbestimmte Sollleerhubspannung absinkt und die
Standleckage nicht eine vorgegebene Sollstandleckage übersteigt.
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Alternativ
kann auch die relative Änderung der
Leerhubspannung und/oder der Standleckage während eines Zyklus ermittelt
werden und mit einer Grenzgröße verglichen
werden, um festzustellen, ob ein funktionsfähiges Einspritzventil vorliegt.
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Alternativ
kann überprüft werden,
ob das zu vermessende Einspritzventil einsatzfähig ist oder nicht, indem eine
bestimmte Anzahl von Messzyklen, d. h. Ansteuerzyklen inklusive
anschließender
Messung durchgeführt
wird, wobei ermittelt wird, nach welchem Ansteuerzyklus die vorgegebenen
Sollwerte, d. h. die Soll-Leerhubspannung bzw. die Soll-Standleckage
unter bzw. überschritten
wird. Die ermittelte Anzahl der Ansteuerzyklen wird mit einer Sollanzahl
von Ansteuerzyklen verglichen, wobei das Einspritzventil für das Einsatzgebiet
brauchbar ist, wenn die gemessene Anzahl die vorbestimmte Sollanzahl übersteigt
und wobei das Einspritzventil unbrauchbar ist, wenn die ermittelte
Anzahl die vorbestimmte Sollanzahl nicht übersteigt.
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Das
Prüfsystem 1 weist
dazu eine entsprechende Vergleichereinheit 13 auf, die
mit der Messeinheit 11 verbunden ist, und die in der Messeinheit 11 gemessenen
Werte mit den entsprechenden Sollwerten vergleicht.
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Ferner
kann eine Steuereinheit 14 vorgesehen sein, die den Ablauf
des Prüfverfahrens
steuert, indem sie die Ansteuereinheit 5 so ansteuert,
dass das angeschlossene Einspritzventil 2 zyklisch angesteuert
wird.