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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Einspritzventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils
einer Brennkraftmaschine, bei dem ein als piezoelektrisches Element ausgebildeter
Aktor des Einspritzventils mit einem Steuerstrom beaufschlagt wird,
um eine mit dem Aktor gekoppelte Ventilnadel des Einspritzventils
von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand
zu überführen, und
bei dem die zeitliche Änderung
einer Ladespannung, auf die das piezoelektrische Element aufgeladen
ist, überwacht wird,
um auf einen tatsächlichen
Betriebszustand der Ventilnadel des Einspritzventils zu schließen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 8.
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Betriebsverfahren
der eingangs genannten Art sind bekannt und werden insbesondere
bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen zur Ansteuerung
und Betriebsüberwachung
der Einspritzventile eingesetzt. Nachteilig an der Verwendung von
piezoelektrischen Elementen als Aktoren in den Einspritzventilen
ist die Tatsache, dass deren mechanische und elektrische Eigenschaften
nicht zeitlich konstant sind.
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Sowohl
der von einem piezoelektrischen Element bei einer Nennspannung ausgeführte Hub
als auch die elektrische Kapazität
des piezoelektrischen Elements und dessen Steifigkeit ändern sich über seine
Lebensdauer. Derartige Änderungen
sind während
eines Betriebs des piezoelektrischen Elements in einem Einspritzventil
jedoch nicht ohne aufwändige
Messtechnik erfassbar und können
dementsprechend auch nicht präzise
kompensiert werden. Infolgedessen ergeben sich aufgrund der beschriebenen Alterungseffekte
eines piezoelektrischen Elements u.a. Fehler bei einer von dem Einspritzventil
eingespritzten Kraftstoffmenge. Derartige Fehler können überdies
von einem mechanischen Verschleiß des Einspritzventils im Bereich
eines Ventilsitzes herrühren.
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Es
ist daher wünschenswert,
diejenigen Zeitpunkte während
eines Ansteuervorgangs des piezoelektrischen Elements zu ermitteln,
bei denen die von ihm angetriebene Ventilnadel tatsächlich bestimmte Betriebszustände einnimmt.
Bei diesen Betriebszuständen
handelt es sich beispielsweise um ein völlig geöffnetes beziehungsweise geschlossenes
Einspritzventil, wobei die Ventilnadel vollständig von ihrem Ventilsitz entfernt
ist oder auf diesem aufsitzt.
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Herkömmliche
Betriebsverfahren verwenden zur Erkennung dieser Betriebszustände der
Ventilnadel einen an sich bekannten Zusammenhang zwischen einer
mechanischen Rückwirkung
der Ventilnadel auf das piezoelektrische Element und einem Gradienten
der Ladespannung bei einer Beaufschlagung des piezoelektrischen
Elements mit einem vorgebbaren Steuerstrom. Eine derartige mechanische Rückwirkung
tritt beispielsweise dann auf, wenn die Ventilnadel bei einer Überführung von
einem ersten in einen zweiten Betriebszustand tatsächlich auf
dem Ventilsitz zum Aufliegen kommt. Die hierbei auf das piezoelektrische
Element rückwirkende
Kraft verändert
dessen elektrische Betriebsparameter derart, dass sich – unter
Annahme einer gleichbleibenden Ansteuerung mittels des Steuerstroms – der Gradient der
Ladespannung verändert.
Nachteilig ist hierbei jedoch die verhältnismäßig geringe Änderung
des Gradienten der Ladespannung bei den bekannten Systemen, die
eine Erkennung des tatsächlichen
Erreichens eines neuen Betriebszustands erschwert. Darüber hinaus
beeinflussen Messrauschen, druckabhängige mechanische Effekte innerhalb
des Einspritzventils und dergleichen ebenfalls nachteilig die Erfassungsgenauigkeit
einer Änderung
des Gradienten der Ladespannung.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und ein
Steuergerät der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine präzisere Erkennung
eines tatsächlichen
Betriebszustands der Ventilnadel des Einspritzventils möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Betriebsverfahren der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Steuerstrom zu einem vorgebbaren Zeitpunkt, der vor einem
tatsächlichen
Erreichen des zweiten Betriebszustands vermutet wird, gezielt verändert wird,
um die zeitliche Änderung
der Ladespannung zu beeinflussen.
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Die
erfindungsgemäße gezielte
Veränderung des
Steuerstroms und die damit einhergehende Veränderung der zeitlichen Änderung
der Ladespannung ermöglicht
es vorteilhaft, vor dem tatsächlichen Erreichen
des zweiten Betriebszustands durch die Ventilnadel einen solchen
Gradienten der Ladespannung einzustellen, der sich z.B. deutlich
von demjenigen Gradienten der Ladespannung unterscheidet, welcher
sich bei bzw. nach dem Erreichen des zweiten Betriebszustands einstellt,
der also eine deutliche Unterscheidbarkeit zwischen den Gradienten
der Ladespannung vor bzw. nach dem Einnehmen des zweiten Betriebszustands
ermöglicht.
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Durch
die erfindungsgemäße gezielte
Veränderung
des Gradienten der Ladespannung kann das Einspritzventil bzw. dessen
piezoelektrisches Element also so konfiguriert bzw. betrieben werden, dass
eine sichere Erkennung der mechanischen Rückwirkung der Ventilnadel auf
das piezoelektrische Element bei dem Erreichen eines neuen Betriebszustands
gewährleistet
ist.
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Besonders
vorteilhaft wird ein Betrag des Steuerstroms zu dem vorgebbaren
Zeitpunkt verringert, um die zeitliche Änderung der Ladespannung zu verringern.
Da die mechanische Rückwirkung
der Ventilnadel bei dem Erreichen des zweiten Betriebszustands üblicherweise
eine Vergrößerung des
Gradienten der Ladespannung zur Folge hat, ergibt sich hierdurch
eine besonders gute Unterscheidbarkeit der zeitlichen Änderung
der Ladespannung in den unterschiedlichen Zeitbereichen.
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Bevorzugt
wird die erfindungsgemäße gezielte
Veränderung
des Steuerstroms möglichst
kurz vor demjenigen Zeitpunkt durchgeführt, an dem das tatsächliche
Erreichen des zweiten Betriebszustands vermutet wird, um das Verbringen
der Ventilnadel von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand
und die dabei geforderte Dynamik nicht zu stören.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch einen teilweisen Querschnitt eines Einspritzventils,
das einen piezoelektrischen Aktor aufweist,
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2a zeigt
einen zeitlichen Verlauf einer Ladespannung des piezoelektrischen
Aktors aus 1,
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2b zeigt
einen zeitlichen Verlauf eines Steuerstroms, der mit der in 2a abgebildeten
Ladespannung korrespondiert,
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3a zeigt
einen zeitlichen Verlauf der Ladespannung des piezoelektrischen
Aktors aus 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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3b zeigt
einen zeitlichen Verlauf eines Hubs einer Ventilnadel des piezoelektrischen
Aktors, der sich bei einer Ladespannung gemäß 3a ergibt,
und
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4 zeigt
ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
der 1 ist ein Einspritzventil 10 einer Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs dargestellt, das mit einem piezoelektrischen
Aktor 12 versehen ist. Der piezoelektrische Aktor 12 ist
von Kraftstoff 11 umgeben und wird, wie in 1 durch
den Pfeil angedeutet, von einem Steuergerät 20 angesteuert.
Weiterhin weist das Einspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf,
die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des
Einspritzventils 10 aufsitzen kann.
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Ist
die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben,
so ist das Einspritzventil 10 geöffnet und es wird Kraftstoff
eingespritzt. Dieser Zustand ist in 1 dargestellt.
Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf,
so ist das Einspritzventil 10 geschlossen. Der Übergang
von dem geschlossenen in den geöffneten
Betriebszustand der Ventilnadel 13 wird mit Hilfe des piezoelektrischen
Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird der piezoelektrische Aktor 12 mit
einem Steuerstrom I beaufschlagt, um ihn auf eine gewünschte Ladespannung
U aufzuladen, die wiederum eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten
Piezostapels hervorruft. Die von der Ladespannung U abhängige Längenänderung
des Piezostapels wird schließlich
zum Öffnen
beziehungsweise Schließen
des Einspritzventils 10 und ganz allgemein zum Verbringen
der Ventilnadel 13 zwischen ihren verschiedenen Betriebszuständen verwendet. Die
Kraftübertragung
zwischen dem Aktor 12 und der Ventilnadel 13 erfolgt
bei dem vorliegenden Beispiel in an sich bekannter Weise mittels
eines hydraulischen Kopplers 15.
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2a zeigt
den zeitlichen Verlauf der Ladespannung U des Aktors 12,
wie er sich bei einer Beaufschlagung des Aktors 12 mit
dem in 2b abgebildeten Steuerstrom
I ergibt. Die Diagramme der 2a und 2b besitzen
Zeitachsen mit identischer Skalierung.
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Durch
die Beaufschlagung des Aktors 12 mit dem in 2b abgebildeten
Steuerstrom I ergibt sich ausgehend von einem Ausgangszustand (t
= 0 μs), bei
dem der Aktor 12 eine maximale Länge aufweist, und bei dem das
Einspritzventil 10 dementsprechend geschlossen ist, wie
in 2a abgebildet eine kontinuierliche Verringerung
der Ladespannung U etwa ab dem Zeitpunkt t = 100 μs. Bei dem
vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird der Aktor 12 durch den Steuerstrom I demnach kontinuierlich
entladen, bis eine minimale Ladespannung U von etwa 0 Volt zu dem
Zeitpunkt t = 400 μs
erreicht ist. In diesem Zustand weist der Aktor 12 seine
geringste Länge
auf und das Einspritzventil 10 ist maximal geöffnet.
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Anschließend wird
durch eine entsprechende Erhöhung
des Steuerstroms I auf Werte größer 0 Ampere
etwa ab dem Zeitpunkt t = 440 μs
ein erneutes Aufladen des Aktors 12 bewirkt. Dieser Aufladevorgang
ab dem Zeitpunkt t = 440 μs
wird nachfolgend näher
beschrieben.
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Zunächst wird
in dem Zeitintervall von etwa 440 μs bis etwa 510 μs, vergleiche 2b,
ein verhältnismäßig großer Steuerstrom
I von etwa 6 Ampere eingestellt, so dass sich dementsprechend ein verhältnismäßig großer Gradient
der Ladespannung U des Aktors 12 einstellt, vgl. 2a.
In entsprechender Weise bewegt sich die Ventilnadel 13 des Einspritzventils 10 gemäß der steigenden
Ladespannung U auf ihren Ventilsitz 14 zu.
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Erfindungsgemäß wird allerdings
ab einem Zeitpunkt t1 = 510 μs der Steuerstrom
I gezielt verändert,
im vorliegenden Beispiel verringert auf durchschnittlich etwa 1,8
Ampere, vergleiche 2b, um die zeitliche Änderung
der Ladespannung U (2a) gegenüber dem Zeitintervall von etwa
440 μs bis etwa
510 μs deutlich
zu verringern.
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Diese
erfindungsgemäße Verringerung
des Steuerstroms I und die daraus folgende entsprechende Verringerung
des Gradienten der Ladespannung U ermöglichen ein einfaches und sicheres
Erkennen einer weiteren Änderung
des Gradienten der Ladespannung U zu dem Zeitpunkt t2,
die sich aufgrund einer mechanischen Rückwirkung von der sich auf
ihren Ventilsitz 14 zu bewegenden Ventilnadel 13 auf den
Aktor 12 ergibt. Diese Rückwirkung ergibt sich, weil
die Ventilnadel 13 zwischenzeitlich, d.h. bei dem Zeitpunkt
t2 ihren Ventilsitz 14 erreicht
hat, so dass eine weitere Bewegung der Ventilnadel 13 auf
ihren Ventilsitz 14 zu nicht möglich ist. Hierdurch ergibt
sich eine Erhöhung
des Drucks des in dem Koppelraum 19 des hydraulischen Kopplers 15 vorhandenen
Fluids, die über
den Kolben 17 wiederum eine Kraftwirkung auf den Aktor 12 hervorruft.
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Die
sich hierbei einstellende Änderung
des Gradienten der Ladespannung U kann bei herkömmlichen Betriebsverfahren
aufgrund ähnlicher
Werte der Gradienten der Ladespannung U bei dem Aufladen vor dem
Zeitpunkt t2 beziehungsweise nach dem Zeitpunkt
t2 nur schwer erkannt werden.
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Im
Gegensatz hierzu ermöglicht
die erfindungsgemäße gezielte
Veränderung
des Gradienten der Ladespannung U ab dem Zeitpunkt t1 eine
deutliche Unterscheidbarkeit der Gradienten, so dass das tatsächliche
Erreichen des Ventilsitzes 14 durch die Ventilnadel 13 und
damit der vollständig
geschlossene Zustand des Einspritzventils 10 deutlich feststellbar
ist.
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3a zeigt
einen zeitlichen Verlauf der Ladespannung U des Aktors 12 nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die durchgezogene Linie in dem Diagramm nach 3a gibt
hierbei denjenigen zeitlichen Verlauf der Ladespannung U an, der
sich durch die erfindungsgemäße Ansteuerung,
insbesondere durch eine gezielte Verringerung des Steuerstroms ab
einem Zeitpunkt von etwa 510 μs,
ergibt. Der durch eine punktierte Linie dargestellte zeitliche Verlauf
der Ladespannung U würde
sich dagegen bei einer herkömmlichen
Ansteuerung des Aktors 12 ergeben.
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Durch
die erfindungsgemäße Verringerung des
Steuerstroms I ab dem Zeitpunkt t = 510 μs ergibt sich – wie bereits
unter Bezugnahme auf die 2a, 2b beschrieben – eine besonders
gute Erkennbarkeit des Aufsitzens der Ventilnadel 13 auf
dem Ventilsitz 14 zu einem Zeitpunkt t = 540 μs aufgrund der Änderung
des Gradienten der Ladespannung U (durchgezogene Linie). Die durch
die erfindungsgemäße Ansteuerung
ermöglichte
signifikante Gradientenänderung
resultiert wie aus 3a ersichtlich in einem scharfen
Knick der Kurve der Ladespannung U, während bei einer herkömmlichen
Ansteuerung keine erkennbare Veränderung
des Gradienten der Ladespannung U (punktierte Linie) ersichtlich
ist.
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Da
die erfindungsgemäße gezielte
Veränderung
des Steuerstroms I bevorzugt sehr kurz vor dem vermuteten Zeitpunkt
des Aufsitzens der Ventilnadel 13 in dem Ventilsitz 14 bzw.
des völligen
Schließens des
Einspritzventils 10 vorgenommen wird, wirkt sich diese
Veränderung
des Steuerstroms I nur unwesentlich auf die Dynamik der Ventilnadel 13 und
damit auf den Betrieb des Einspritzventils 10 insgesamt aus. 3b zeigt
hierzu den zeitlichen Verlauf des Hubs der Ventilnadel 13,
wobei ein verschwindender Hub h einem geschlossenen Betriebszustand
des Einspritzventils 10 entspricht.
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Entsprechend
der in 3a verwendeten Symbolik gibt
die durchgezogene Linie in 3b den zeitlichen
Hubverlauf h der Ventilnadel 13 bei einer Ansteuerung mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wieder, während
die punktierte Linie in 3b den Hubverlauf
der Ventilnadel 13 bei einer Ansteuerung mittels eines
herkömmlichen
Verfahrens anzeigt. Wie aus 3b ersichtlich
ist, unterscheiden sich die Hubverläufe nur unwesentlich voneinander, insbesondere
nur für
Zeiten t > 540 μs, d.h. nach
dem Erreichen des Ventilsitzes 14 durch die Ventilnadel 13 bzw.
nach dem endgültigen
Einnehmen des geschlossenen Betriebszustandes. Daraus ist ersichtlich,
dass sich durch die erfindungsgemäße gezielte Veränderung,
insbesondere Verringerung, des Steuerstroms I kurz vor dem tatsächlichen
Erreichen des Schließzustandes
des Einspritzventils 10 keine Beeinträchtigung des Betriebs des Einspritzventils 10, insbesondere
keine signifikante Veränderung
des Hubverlaufs der Ventilnadel 13 ergibt. Das dynamische
Verhalten der Ventilnadel 13 bleibt im wesentlichen also
unbeeinflusst von dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren.
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Bevorzugt
wird der vorgebbare Zeitpunkt, ab dem der Steuerstrom I erfindungsgemäß gezielt
verändert
wird, so gewählt,
dass er näher
an dem Zeitpunkt t2 liegt, an dem das tatsächliche
Erreichen des zweiten Betriebszustands vermutet wird, als an dem Zeitpunkt
t0, zu dem mit der Beaufschlagung des Aktors 12 mit
dem Steuerstrom I begonnen wird.
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Um
ein sicheres Beibehalten eines neu erreichten Betriebszustands zu
gewährleisten,
ist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass der Aktor 12 nach einem tatsächlichen
Erreichen des neuen Betriebszustands für eine vorgebbare Ansteuerzeit
weiter mit einem vorgebbaren Steuerstrom I beaufschlagt wird. D.h.,
beispielsweise wird bei der Ansteuerung des Aktors 12 gemäß den 2a, 2b ab
dem Zeitpunkt t2 der Steuerstrom I vorerst beibehalten,
obwohl der neue Betriebszustand prinzipiell ab dem Zeitpunkt t2 erkannt worden ist.
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Von
besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Form eines Computerprogramms, das beispielsweise auf einem elektronischen
Speicher abgespeichert sein kann. Ein derartiger elektronischer
Speicher kann beispielsweise in dem Steuergerät 20 (1)
vorgesehen sein.
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Das
vereinfachte Flussdiagramm gemäß 4 zeigt
nochmals die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst
wird in einem Schritt 100 ein Zeitpunkt t1 ermittelt,
der vermutlich vor einem tatsächlichen
Erreichen eines zweiten Betriebszustands der Ventilnadel 13 liegt.
Anschließend
wird im Schritt 110 der Steuerstrom I verändert, um
die zeitliche Veränderung
der Ladespannung U zu beeinflussen und eine bessere Erkennbarkeit
eines durch eine Rückwirkung
verursachten Gradientensprungs zu ermöglichen.
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Schließlich wird
in dem nachfolgenden Verfahrensschritt 120 eine weitere
zeitliche Änderung der
Ladespannung U, d.h. der Gradientensprung, registriert, die aufgrund
der Rückwirkung
der Ventilnadel auf den Aktor 12 auftritt, woraus auf ein
tatsächliches
Erreichen des zweiten Betriebszustands geschlossen wird.
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Ganz
allgemein kann das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung jedes Betriebszustands der Ventilnadel 13 herangezogen
werden, bei dessen Erreichen sich eine mechanische Rückwirkung
der Ventilnadel 13 auf den Aktor 12 ergibt, die
zu der beschriebenen Änderung
des Gradienten der Ladespannung U führt. In Abhängigkeit der erwarteten Änderung
der Ladespannung U, die sich infolge der Rückwirkung ergibt, ist in dem
erfindungsgemäßen Schritt 110 der
Steuerstrom I entsprechend einzustellen, um eine hinreichende Unterscheidbarkeit
der Gradienten der Ladespannung U zu gewährleisten.
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Beispielsweise
kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch dazu verwendet werden, um das Erreichen eines vollständig geöffneten
Betriebszustands der Ventilnadel 13 beziehungsweise des
Einspritzventils 10 festzustellen. Hierbei hat sich der
Aktor 12 des Einspritzventils 10 durch einen entsprechenden
Entladevorgang derart verkürzt,
dass die Ventilnadel 13 bei ihrer Wegbewegung von dem Ventilsitz 14 schließlich an
einem durch den hydraulischen Koppler 15 gebildeten Nadelanschlag
(nicht gezeigt) aufsitzt, während
sich der Aktor 12 durch ein fortgesetztes Entladen weiter
verkürzt.
Hierdurch entsteht in dem Koppelraum 19 vorübergehend
ein Unterdruck und es ergibt sich eine entsprechende Kraftwirkung
beziehungsweise Rückwirkung
auf den Aktor 12, die sich in einer Änderung des Gradienten der
Ladespannung U niederschlägt.
Eine vor dem Aufsitzen der Ventilnadel 13 auf dem Nadelanschlag des
Kopplers 15 erfolgte gezielte Veränderung des Steuerstroms I
kann bei einem derartigen Szenario dazu eingesetzt werden, den Gradienten
der Ladespannung U vor dem Erreichen des vollständig geöffneten Zustands des Einspritzventils 10 so
einzustellen, dass die aufgrund der Rückwirkung auftretende Änderung
des Gradienten der Ladespannung U deutlich erfassbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich allgemein zur Überwachung
mechanisch mit dem Aktor 12 gekoppelter Elemente, die eine
entsprechende Rückwirkung
auf den Aktor 12 ausüben können. Anstelle
einer Ventilnadel 13 kann beispielsweise auch ein Steuerkolben
oder dergleichen mit dem Aktor 12 verbunden sein, und das
erfindungsgemäße Betriebsverfahren
kann dazu verwendet werden, einen tatsächlichen Betriebszustand des
Steuerkolbens zu erfassen.