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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation einer
Toleranz eines durch einen Magneten mit Hilfe eines Steuerstroms
betätigten Mengensteuerventils
für eine
Kraftstoffpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine,
wobei das Mengensteuerventil im stromlosen Zustand geschlossen ist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die zur
Durchführung
eines solchen Verfahrens eingerichtet ist und ein Computerprogramm
mit Programmcode zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Bei
der Ansteuerung von Magnetventilen, welche zur Mengensteuerung bei
Hochdruckpumpen verwendet werden, kommen verschiedene Vorrichtungen
und Verfahren zum Einsatz. Üblicherweise
ist vor einer Hochdruckpumpe für
eine Benzindirekteinspritzung ein Mengensteuerventil angeordnet,
um die durch die Hochdruckpumpe geförderte Menge an Kraftstoff
zu beeinflussen. Die Hochdruckpumpe dient dazu, einen Hochdruckbereich
oder eine Kraftstoffsammelleitung mit Kraftstoff zu versorgen, wobei aus
dieser Kraftstoffsammelleitung wiederum die Brennkraftmaschine mit
Kraftstoff versorgt wird. Bei der Ansteuerung des Mengensteuerventils
für die Hochdruckpumpe
bieten sich zwei verschiedene, grundsätzlich unterschiedliche Strategien
an, wobei die erste Strategie Mengensteuerventile betrifft, die im
stromlosen Zustand offen sind, und die zweite Strategie Mengensteuerventile
betrifft, die im stromlosen Zustand geschlossen sind. Die vorliegende
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen für stromlos geschlossene Mengensteuerventile.
Diese bieten verschiedene Vorteile, da die maximale Magnetkraft
im angezogenen Zustand (geöffnet)
bei einem relativ kleinen Restluftspalt aufgebracht werden muss.
Demgegenüber
muss bei stromlos offenen Men gensteuerventilen ein relativ großer Restluftspalt überwunden
werden, um gegen eine relativ große Federkraft ausreichend Magnetkraft
aufzubringen.
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Nachteilig
bei der stromlos geschlossenen Strategie ist allerdings die längere Einschaltdauer insbesondere
bei kleinen Fördermengen.
Die längere Einschaltdauer
ist dadurch begründet,
dass ein größerer Teil
des bereits in der Ansaugphase in die Pumpe geförderten Kraftstoffs wieder
zurückgepumpt werden
muss, bevor das Ventil geschlossen wird, sodass nachfolgend eine
Förderung
einer kleinen Restmenge in den Hochdruckbereich erfolgt. D. h.,
dass bei kleinerer Fördermenge
das stromlos geschlossene Mengensteuerventil erst am Ende der Förderphase
des Pumpenkolbens abgeschaltet wird. Dadurch besteht die Gefahr
einer thermischen Überlastung des
Mengensteuerventils. Aus dem Stand der Technik ist es nun bekannt,
während
des Haltens des stromlos geschlossenen Mengensteuerventils im offenen
Zustand einen geregelten Haltestrom einzusetzen, um eine thermische Überlastung
zu vermeiden. Nachteilig ist allerdings, dass durch Toleranzen Abweichungen
der Magnetkraft auftreten können,
sodass das erforderliche Mindeststromniveau zum Offenhalten des
Ventils nicht bekannt ist. Das erforderliche Mindest-Stromniveau
ist außerdem
von hydraulischen Kräften
in dem Mengensteuerventil abhängig, da
beispielsweise während
der Förderphase
bei geöffnetem
Mengensteuerventil eine hydraulische Kraft auf einen Schließkolben
des Ventils wirken kann. Auch diese Kräfte unterliegen Toleranzen,
die sich auch während
der Lebenszeit des Mengensteuerventils ändern können. Dies führt dazu,
dass das Mindest-Stromniveau zum geöffnet Halten des stromlos geschlossenen
Mengensteuerventils mit einem Sicherheitsaufschlag versehen werden
muss. Dies führt
zu dem weiteren Nachteil, dass der Schließvorgang nach Abschalten des
Haltestroms unbekannt verzögert
wird, da die Schließzeit
von dem Stromniveau abhängig
ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, welche die oben beschriebenen Nachteile aus dem Stand
der Technik beheben oder lindern, insbesondere ist es eine Aufgabe
der Erfindung, Magnetkrafttoleranzen und andere betriebliche Toleranzen
eines stromlos geschlossenen Mengensteuerventils zu kompensieren.
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zur Kompensation einer Toleranz eines durch
einen Magneten mit Hilfe eines Steuerstroms betätigten Mengensteuerventils
für eine
Kraftstoffpumpe in einem Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine,
wobei das Mengensteuerventil im stromlosen Zustand geschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass eine toleranzbedingte Abweichung der
Kraft des Magneten durch eine Einstellung eines Stromniveaus des
Steuerstroms kompensiert wird. Dabei ist der Ausdruck Abweichung
der Kraft des Magneten oder Abweichung der Magnetkraft allgemein
zu verstehen, sodass hierunter auch toleranzbedingte Abweichungen
fallen, die durch Toleranzen beispielsweise der Hydraulik des Mengensteuerventils
bedingt sind. Durch die Kompensation der Toleranz wird die Funktion
des Mengensteuerventils verbessert, wobei insbesondere der Schließvorgang
des Mengensteuerventils verbessert wird, da dieser besser vorhersagbar
ist. Beim Löschen
des Steuerstroms hängt
die Schließzeit
des Mengensteuerventils von dem Restmagnetfeld und dem Kräftegleichgewicht
der auf den Kolben des Ventils wirkenden Kräfte ab. Bei einer Kompensation
von Toleranzen ist der Schließvorgang
besser vorhersagbar, sodass eine genauere Steuerung oder Regelung
des Ventils möglich
ist. Auf diese Weise wird eine Regelgüte der Hochdruckpumpe erhöht. Ein
weiterer Vorteil ist, dass Bauteiltoleranzen des Mengensteuerventils
oder des Magnetantriebs oder auch der Hochdruckpumpe besser kompensiert
werden können. Dies
kann zu einer Kostenersparnis führen.
Mit Stromniveau ist hierbei insbesondere die durchschnittliche Stärke des
Steuerstroms während
des Haltens des Magnetsteuerventils gemeint.
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Vorzugsweise
wird das Stromniveau eingestellt, indem der Steuerstrom geregelt
wird oder der Steuerstrom ein pulsweitenmoduliertes Stromsignal ist.
Ein geregelter Steuerstrom oder ein geregeltes pulsweitenmoduliertes
Signal bieten den Vorteil einer exakten Ansteuerung. Ein pulsweitenmoduliertes Stromsignal
entsteht durch eine Pulsweitenmodulation einer vorzugsweise konstanten
Steuerspannung.
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Vorzugsweise
wird das Stromniveau in Abhängigkeit
eine Drucks in einem durch die Kraftstoffpumpe mit Kraftstoff versorgten
Hochdruckdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems eingestellt. Dabei
ist der Hochdruckbereich vorteilhafterweise eine Kraftstoffsammelleitung,
aus der Ventile zur Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine
versorgt werden. Die Kraftstoffpumpe ist vorteilhafterweise eine
Hochdruck pumpe, die dazu eingerichtet ist, in dem Hochdruckbereich
einen Nominaldruck von mindestens 15 MPa oder mindestens 20 MPa (beispielsweise
etwa 20 MPa) aufzubauen. Weitere Parameter, die vorzugsweise bei
der Ansteuerung des Mengensteuerventils und insbesondere in Bezug auf
das Stromniveau berücksichtigt
werden, sind eine Drehzahl der Brennkraftmaschine oder eine Temperatur
des Kraftstoffs. Die erforderlichen Daten können beispielsweise in einem
Kennfeld abgespeichert sein. Dies bietet den Vorteil, dass das Mengensteuerventil
in jedem Betriebszustand optimal angesteuert wird.
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Vorzugsweise
wird die Einstellung des Stromniveaus während mindestens eines stationären Betriebszustandes
der Brennkraftmaschine vorgenommen. Ein stationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine
hat für
die Einstellung des Stromniveaus den Vorteil, dass der Druck in
dem Hochdruckbereich keinen betriebsbedingten Schwankungen unterliegt,
die auf Lastwechsel der Brennkraftmaschine zurückzuführen sind, sodass die Einflüsse durch die
Hochdruckpumpe und das Mengensteuerventil besser erfassbar werden.
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Der
mindestens eine stationäre
Betriebszustand umfasst vorzugsweise einen Leerlauf der Brennkraftmaschine.
Ein Leerlauf der Brennkraftmaschine bietet den besonderen Vorteil,
dass keine ausgeprägten
Lastschwankungen während
des Leerlaufs auftreten. Allgemein wird als stationärer Betriebszustand
ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine bevorzugt, bei dem im
wesentlich keine Lastwechsel auftreten.
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Vorzugsweise
wird das Stromniveau für
mindestens einen weiteren Betriebspunkt der Brennkraftmaschine berechnet
oder in einem Kennfeld abgespeichert. So ist es beispielsweise schwierig
für einen
Betriebspunkt während
einer Beschleunigung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine das
Stromniveau geeignet durch eine Regelung einzustellen, da bei solchen
Betriebszuständen
der Druck in dem Hochdruckbereich stark durch die Entnahme des Kraftstoffs
durch die Brennkraftmaschine schwanken kann. Für solche Betriebszustände bietet
es sich an, das Stromniveau bei einem oder mehreren vorzugsweise
stationären
Betriebzuständen
einzustellen, um eine Kompensation vorzunehmen, und für weitere Betriebspunkte
der Brennkraftmaschine das Stromniveau anhand von abgespeicherten
Beziehungen zu berechnen und/oder in einem Kennfeld abzuspeichern.
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Vorzugsweise
wird eine durch die Kraftstoffpumpe geförderte Kraftstoffmenge eingestellt,
indem eine Haltedauer des Mengensteuerventils beeinflusst wird.
Vorzugsweise erfolgt die Regelung der Fördermenge über den Druck in dem Hochdruckbereich. Durch
einen Vergleich von Soll- und Ist-Druck kann die benötigte Fördermenge
ermittelt werden, wobei infolgedessen die Haltedauer neu berechnet
wird. Die Haltedauer des Mengensteuerventils ist die Dauer, die
das Mengensteuerventil geöffnet
bleibt, obwohl sich die Kraftstoffpumpe bereits in der Förderphase
befindet.
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Der
Magnet des Mengensteuerventils wird vorzugsweise zum Öffnen des
Mengensteuerventils mit einer konstanten Spannung beaufschlagt und
anschließend
zum Offenhalten mit einer pulsweitenmodulierten Spannung beaufschlagt,
sodass der Steuerstrom während
des Offenhaltens das pulsweitenmodulierte Stromsignal ist. Zum Öffnen des
Mengensteuerventils muss ein größerer Widerstand überwunden
werden, als während
der Haltephase zum Halten des Mengensteuerventils benötigt wird.
Das Mengensteuerventil ist vorzugsweise außerdem so aufgebaut, dass es
während
einer Saugphase der stromabwärts
liegenden Hochdruckpumpe selbständig öffnet. Ansonsten
ist das Mengensteuerventil im stromlosen Zustand geschlossen.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere
ein Steuergerät,
die oder das zur Durchführung
eines Verfahrens mit einem oder mehreren der oben beschriebenen
bevorzugten Merkmale eingerichtet ist.
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Ein
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte eines
entsprechenden Verfahrens, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird,
stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung dar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 ein
Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Detail des Kraftstoffversorgungssystems der 1 in genauerer
Darstellung;
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3 der
Verlauf verschiedener Parameter beim Betrieb eines Mengensteuerventils;
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4:
ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens.
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Ausführungsform
der Erfindung
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In
der 1 ist ein Kraftstoffversorgungssystem 10 einer
Brennkraftmaschine gezeigt. Eine Vorförderpumpe 12 pumpt
Kraftstoff von einem Kraftstoffvorratsbehälter 11 über eine
Leitung 13 zu einer Hochdruckpumpe 14. Ein Mengensteuerventil 15 ist an
der Hochdruckpumpe 14 angeordnet und regelt die Fördermenge
der Hochdruckpumpe 14. Die benötigte Fördermenge wird auf einen vergleichsweise hohen
Druck (beispielsweise 20 MPa) verdichtet und über eine Leitung 16 in
eine Kraftstoffsammelleitung 17 gefördert, von wo aus der Kraftstoff über Einspritzventile 18 in
Brennräume
einer Brennkraftmaschine 19 eingespritzt wird. An der Kraftstoffsammelleitung 17 befindet
sich ein Drucksensor 20. Weiterhin befindet sich an der
Brennkraftmaschine 19 ein Drehzahlgeber 21. Eine
Steuereinheit 23 steuert das Mengensteuerventil, wobei
in die Berechnung der Ansteuerung der von dem Sensor 20 gemessene
Druck in der Kraftstoffsammelleitung 17 und die durch den
Drehzahlgeber 21 gemessene Drehzahl der Brennkraftmaschine 19 eingehen.
Daneben können
weitere Parameter in die Berechnung der Ansteuerung einfließen. Zum
Beispiel eine Temperatur der Brennkraftmaschine, die durch einen
Sensor 22 gemessen wird, welche die Öltemperatur der Brennkraftmaschine 19 misst.
Das Programm zur Berechnung der Ansteuerung des Mengensteuerventils 15 ist
auf einem Speichermedium 24 gespeichert, das sich in der Steuereinheit 23 befindet.
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In
der 2 ist die Funktionsweise der Hochdruckpumpe 14 und
des Mengensteuerventils 15 der 1 genauer
gezeigt. Es ist anzumerken, dass in der 2 gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile wie in der 1 bezeichnen.
Die in der 2 gezeigte Momentaufnahme zeigt
die Hochdruckpumpe 14 im Moment einer Saugphase. Ein Kolben 27 bewegt
sich dabei nach unten und folgt der Kontur eines Nockens 28,
wel cher durch einen nicht gezeigten Antrieb angetrieben wird. Der
Kraftstoff fließt
durch die Leitung 13 über
ein Einlassventil 25 in einen Förderraum 26 der Hochdruckpumpe 14.
Zum Zeitpunkt der Momentaufnahme, die in der 2 gezeigt
ist, ist das Mengensteuerventil 15 unbestromt. Es ist allerdings
dennoch geöffnet,
da das Einlassventil 25 durch den Unterdruck in dem Förderraum 26 gegenüber dem
in der Leitung 13 herrschenden Druck geöffnet ist.
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Vor
Beginn einer Förderphase
bei sich weiterdrehendem Nocken 28 wird das Mengensteuerventil 15 bestromt.
Eine Magnetspule 33 baut ein magnetisches Feld auf und
zieht einen Magnetanker 31 entgegen einen Feder 30 in
der 2 nach rechts an. Über einen Stößel 32 wird
das Einlassventil 25 entgegen einer Strömungskraft offen gehalten.
Die hydraulische Strömungskraft
entsteht durch das Rückströmen von
Kraftstoff am offenen Mengensteuerventil 15. Dabei wird
nicht benötigter
Kraftstoff in die Leitung 13 auf die Niederdruckseite der
Anordnung zurückgefördert.
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Zu
einem bestimmten Zeitpunkt während
der Förderphase
wird nun das Mengensteuerventil 15 abgeschaltet, um eine
Förderung
von Kraftstoff durch ein Rückschlagventil 29 in
die Leitung 16 und in die Kraftstoffsammelleitung 17 zu
bewirken. Der Zeitpunkt des Abschaltens des Mengensteuerventils 15 hängt dabei
von der in der Kraftstoffsammelleitung 17 zur Aufrechterhaltung
des dort herrschenden Drucks benötigten
Kraftstoffmenge ab. Nach Abschalten des Mengensteuerventils 15 schiebt
die Feder 30 den Magnetanker 31 mitsamt Stößel 32 in
der 2 nach links. Infolgedessen schließt das Einlassventil 25,
sodass eine Förderung
in Richtung der Leitung 16 und der Kraftstoffsammelleitung 17 erfolgt.
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In
der 3 sind verschiedene Parameter der Ansteuerung
des Mengensteuerventils 15 über die Zeit aufgetragen. Im
Zusammenhang mit der Beschreibung der 3 wird wiederum
auf die 1 und 2 Bezug
genommen, wobei wiederum gleich Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.
In der unteren Hälfte
des Diagramms ist der Weg x über
die Zeit t aufgetragen. In der oberen Hälfte des Diagramms sind kombiniert
die an der Magnetspule 33 angelegte Spannung U und die
auf den Magnetanker 31 wirkende Kraft F über die
Zeit t angetragen. Wie in der 3 zu sehen
ist, wird zunächst
in der Anzugsphase das Mengensteuerventil mit einer konstanten Spannung
U beaufschlagt. Die Anzugsphase dauert dabei über eine Zeitspanne t1. Während ei ner
nachfolgenden Haltephase t2 wird das Mengensteuerventil mit einer
pulsweitenmodulierten Spannung U beaufschlagt, wobei die Kraft F
auf den Magnetanker 31 von der Pulsbreite abhängt. Nachfolgend
folgt eine Zeitspanne t3, während
der das Mengensteuerventil 15 stromlos geschaltet wird,
sodass die Kraft F auf den Magnetanker 31 nachlässt. Der
Zeitpunkt des Schließens
des Mengensteuerventils 15 hängt nun, wie in der 3 zu
sehen ist, von dem Niveau der Kraft F (gepunktete und strichlierte
Linie) ab, die während
der Haltephase t2 auf den Magnetanker 31 wirkt. Umso größer die
Kraft F ist, umso später schließt das Mengensteuerventil 15.
So wird bei einer um ΔF
größeren Kraft
auf den Magnetanker 31 während der Haltephase t2 der
Schließzeitpunkt
um Δt zu einem
späteren
Zeitpunkt verschoben. Da jedoch die durch die Hochdruckpumpe 14 geförderte Kraftstoffmenge
entscheidend von dem Schließzeitpunkt
abhängt,
ist es wichtig, die Kraft F während
der Haltephase t2 so einzustellen, dass das Schließen des Mengensteuerventils 15 zu
einem definierten, d. h. vorhersagbaren Zeitpunkt erfolgt.
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In
der 4 ist nun ein Verfahren dargestellt, mit dem das
Stromniveau während
der Haltephase t2 der 3 eingestellt werden kann. Wiederum
wird auf die Beschreibungen der 1 bis 3 Bezug genommen,
wobei gleiche Bezugszeichen und Parameter verwendet werden. Das
Verfahren startet in einem Schritt 41. In einem Schritt 42 wird überprüft ob im
wesentlichen konstante Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
vorliegen, beispielsweise ein Leerlauf der Brennkraftmaschine 19.
Ist dies nicht der Fall, endet das Verfahren in einem Schritt 43.
Falls jedoch konstante Betriebsbedingungen, wie eine konstante Drehzahl,
eine konstante Fördermenge
der Hochdruckpumpe und ähnliches,
vorliegen, fährt
das Verfahren mit einem Schritt 44 fort. Im Schritt 44 wird das
Stromniveau während
der Haltephase t2 von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel in Schritten
abgesenkt, wobei pro Arbeitsspiel jeweils die Pulsbreite um eine
bestimmte Größe variiert
wird. Im vorliegenden Beispiel wird die Pulsbreite von Arbeitsspiel
zu Arbeitsspiel schrittweise um jeweils ein kleines Maß verringert.
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In
einem Schritt 45 wird nun der Druck in dem Hochdruckbereich,
nämlich
der Kraftstoffsammelleitung 17, geprüft. Falls dieser Druck nicht
einen bestimmten Grenzwert überschreitet,
kann davon ausgegangen werden, dass das Mengensteuerventil 15 nicht
zu früh
schließt.
Sobald hingegen der Druck in der Kraftstoffsammelleitung 17 ei nen
bestimmten Grenzwert übersteigt,
muss davon ausgegangen werden, dass das Mengensteuerventil 15 bereits während der
Haltephase t2 schließt,
wobei dies auf einen zu geringen Strom in der Magnetspule 33 während der
Haltephase t2 zurückzuführen ist,
also auf eine zu kleine Pulsbreite der pulsweitenmodulierten Spannung
U. In diesem Fall wurde also die untere Grenze für das Spannungsniveau beziehungsweise das
Stromniveau für
diesen Betriebspunkt erreicht und unterschritten.
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In
einem Schritt 46 werden die entsprechenden Parameter der
Ansteuerung (beispielsweise die zum Halten des Ventils erforderliche
Pulsbreite der pulsweitenmodulierten Spannung U) abgespeichert. Anschließend werden
in einem Schritt 47 die Stromniveaus oder Parameter von
anderen Betriebspunkten neu berechnet und in einem Kennfeld abgespeichert.
Das Verfahren endet in einem nachfolgenden Schritt 48.
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Das
kontinuierliche Absenken des Stromniveaus während einer Haltephase des
Mengensteuerventils 15 stellt einen zentralen Teil der
Erfindung dar, mit dem das geeignete Stromniveau für einen
bestimmten Betriebspunkt ermittelt werden kann. Dabei ist es unerheblich,
ob als Parameter das Stromniveau oder die Pulsbreite oder ein vergleichbarer
Parameter variiert wird, wichtig ist, dass ein Parameter der Ansteuerung
des Mengensteuerventils 15 so variiert wird, dass eine
Mindesteinstellung zur Aufbringung einer Mindesthaltekraft des Mengensteuerventils 15 während der
Haltephase t2 ermittelt werden kann.
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Darüber hinaus
ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, für mehrere Betriebspunkte das
in der 4 gezeigte Verfahren durchzuführen. Anschließend können dann
Werte für
weitere Betriebspunkte extrapoliert oder interpoliert werden, wobei auch
ein Rückgriff
auf bekannte Beziehungen möglich
ist.