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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie
ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens, wenn
das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät
ausgeführt wird.
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Stand der Technik
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Die
zunehmenden Anforderungen an direkteinspritzende Brennkraftmaschinen,
insbesondere Dieselmotoren bezüglich Geräusch-
und Schadstoffemissionen erfordern eine sehr hohe Präzision
der durch das Einspritzsystem eingespritzten Kraftstoffmenge über
die gesamte Lebensdauer und in allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Durch
Fertigungstoleranzen, durch Verschleiß-/Alterungserscheinungen
der Brennkraftmaschine oder des Einspritzsystems der Brennkraftmaschine
und der gegenseitigen Beeinflussung im Falle von mehreren Einspritzungen,
nämlich Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen, können
die tatsächlichen Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkte
von den applizierten Sollwerten stark abweichen. So werden beispielsweise
Störungen durch Druckwellen hervorgerufen, die durch eine
erste Einspritzung ausgelöst werden und die während
des Zeitpunkts der zweiten, der ersten Einspritzung unmittelbar
folgenden Einspritzung im Einspritzsystem noch nicht abgeklungen
sind.
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Die über
dem Zeitabstand einzelner Teileinspritzungen wellenförmig
veränderte Einspritzmenge wird nachfolgend kurz als „Mengenwelle” bezeichnet. Zu
ihrer Korrektur sind aus dem Stand der Technik verschiedene Korrekturverfahren
bekannt. So offenbart beispielsweise die
EP 1 303 693 B1 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei
welchem zur Druckwellenkorrektur die bei einer zweiten Teileinspritzung
eingespritzte Kraftstoffmenge abhängig von einer Druckgröße, die
den Kraftstoffdruck charakterisiert, der Kraftstoffmengengröße
und einer weiteren Größe korrigiert wird. Die
weitere Größe kann beispielsweise eine die Kraftstofftemperatur
charakterisierende Größe sein.
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Aus
der
DE 197 12 143
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei denen die Kraftstoffeinspritzung
in wenigstens eine erste und eine zweite Teileinspritzung aufgeteilt
ist. Ein die eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmendes Signal ist
mit einem Korrekturwert korrigierbar. Dieser Korrekturwert wird
multiplikativ aus einem ersten Wert und einem zweiten Wert gebildet.
Der erste Wert ist abhängig von wenigstens dem gemessenen
Kraftstoffdruckwert und/oder vom Abstand zwischen der ersten und
der zweiten Teileinspritzung vorgebbar und der zweite Wert ist abhängig
von wenigstens einer Einspritzmenge, die bei der ersten Teileinspritzung zugemessen
wird, oder von der Dauer der ersten Teileinspritzung vorgebbar.
Durch den Korrekturwert werden Schwankungen des Kraftstoffdruckes
zwischen einer Messung des Kraftstoffdruckwertes und der zweiten
Teileinspritzung berücksichtigt. Ausgehend von dem Korrekturwert
und einem gemessenen Kraftstoffdruckwert wird ein korrigierter Kraftstoffdruckwert
gebildet.
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Aus
prinzipiellen Gründen erreichen diese Kompensationsverfahren
jedoch nur eine endliche Korrekturgüte. Die verbleibende
Abweichung der Istmenge vom Sollwert, die als Restmengenwelle bezeichnet
wird, kann auf diese Weise nicht ohne Weiteres kompensiert werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Druckwellenkorrektur
der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass
auch eine derartige Restmengenwelle kompensiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass der Korrekturwert, mit dem das die Kraftstoffmenge bestimmende
Signal korrigiert wird, aus der Summe eines an einen Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine angepassten Basiskorrekturwerts, eines mechanische
Einflüsse des wenigstens einen Injektors berücksichtigenden
injektorspezifischen Korrekturwerts und eines während des Betriebs
der Brennkraftmaschine ermittelten injektorindividuellen Korrekturwerts
gebildet wird, können auf sehr vorteilhafte Weise auch
Fehler, die durch oben genannte Restmengenwellen hervorgerufen werden,
kompensiert werden. Hierdurch kann zeitlich auf ein optional eingesetztes
Druckwellenkorrektur-Verfahren folgend eine Restmengenabweichung bei
Mehrfacheinspritzungen weiter reduziert werden. Eine wesentliche
Idee des Verfahrens ist dabei eine Gruppierung von Restmengenwellen
zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen höherfrequenten
Druckschwingungen, mechanischen Einflussgrößen
und dem Einspritzmengenfehler während des Betriebs. Durch
dieses Verfahren wird so sehr vorteilhaft neben der Reduktion höherfrequenter
Schwingungen auch eine Eingriffsmöglichkeit für
mechanische Parameter geschaffen, zum Beispiel basierend auf Informationen über
Einstellparameter und -toleranzen und dergleichen. Hierdurch können
auch injektorspezifische und damit auch zylinderselektive Korrekturen
vorgenommen werden. Dies ist insbesondere und vor allem bei kurzen
Zeitabständen zwischen zwei Teileinspritzungen von großem
Vorteil. Schließlich ist auch eine Korrektur während
des Betriebs der Brennkraftmaschine und mithin eine Korrektur von
Einspritzmengenfehlern aufgrund von Alterungserscheinungen möglich.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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So
sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, den Basiskorrekturwert
einem zuvor bestimmten Referenzkennfeld zu entnehmen und mit einem
die Anpassung an den Betriebspunkt kennzeichnenden Skalierungsfaktor
zu multiplizieren. In dem Basiskennfeld liegen dabei Referenzkurven,
die bei der Gruppierung in Druckstufen zu jedem Druck ermittelt
und abgelegt wurden. Aus diesem Kennfeld errechnet sich ein Basiskorrekturwert,
der dann mit dem Skalierungsfaktor multipliziert wird. Der Skalierungsfaktor
wird dabei bevorzugt ebenfalls einem zuvor bestimmten Skalierungskennfeld
entnommen. Dieses Skalierungskennfeld enthält Faktoren
zur optimierten Anpassung der Referenzkurve an den jeweiligen Messpunkt,
das heißt an den jeweiligen Betriebspunkt.
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Alternativ
kann zur Reduzierung des Speicherplatzbedarfs der Kennfelder der
Basiskorrekturwert einschließlich der Information über
den Skalierungsfaktor durch einen modellbasierten Ansatz, d. h.
ein geeignetes Modell auf Basis mehrerer überlagerter exponentiell
gedämpfter Sinusschwingungen und eines Funktionsterms zur
Beschreibung der nichthydraulischen Schwingungsanteile bestimmt werden.
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Sowohl
das Referenzkennfeld als auch das Skalierungskennfeld oder der modellbasierte
Ansatz werden auf der Basis wenigstens folgender Größen bestimmt:
die bei einer ersten Einspritzung eingespritzte Menge, der Raildruck,
die Zeitdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Einspritzung
und die Einspritzmenge der Nacheinspritzung.
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Der
mechanische Einflüsse des Injektors berücksichtigende
injektorspezifische Korrekturwert wird vorteilhafterweise bei der
Herstellung des Injektors jeweils betriebspunktabhängig
ermittelt und in einem dem Injektor zugeordneten Datenträger
gespeichert. Dieser injektorspezifische Korrekturwert berücksichtigt
beispielsweise mechanische Parameter.
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Hierdurch
können gegenüber dem Stand der Technik injektorspezifische
und damit auch zylinderselektive Korrekturen vorgenommen werden.
Dies ist vor allem bei kurzen Zeitabständen zwischen zwei Teileinspritzungen
hilfreich. Der Datenträger, auf dem die injektorspezifischen
Korrekturwerte gespeichert sind, ist beispielsweise ein dem Injektor
zugeordneter Data-Matrix-Code, wie er zum Beispiel bei der Vornahme
eines so genannten Injektor-Mengen-Abgleich-Verfahrens (IMA) beim
Einbau des Injektors dem Motorsteuergerät „mitgeteilt” wird.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist
vorgesehen, einzelne Einspritzmuster der Brennkraftmaschine „anzufahren” und
einzulernen. Diese Werte bilden die injektorspezifischen Korrekturwerte.
Durch sie ist eine Korrektur auch über die Lebensdauer
der Injektoren möglich.
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Das
Verfahren kann als Computerprogramm realisiert sein und auf einem
Computerprogrammprodukt, beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Datenträger
gespeichert sein. Auf diese Weise kann es in bestehende Steuereinrichtungen
für Brennkraftmaschinen „eingelesen” werden
und so gewissermaßen auch „nachgerüstet” werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten
Common-Rail-Einspritzsystems;
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2a schematisch
ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2b schematisch
ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 schematisch
die eingespritzte Menge über der Zeitdifferenz zweier benachbarter
Einspritzungen jeweils mit und ohne Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 sind für das Verständnis der
Erfindung erforderliche Bauteile eines Hochdruck-basierten Kraftstoffeinspritzsystems
am Beispiel eines Common-Rail-Systems dargestellt. Mit 100 ist
ein Kraftstoffvorratsbehälter bezeichnet. Der Kraftstoffvorratsbe hälter 100 steht
zur Förderung von Kraftstoff über einen ersten
Filter 105 sowie eine Vorförderpumpe 110 mit
einem zweiten Filter 115 in Verbindung. Vom zweiten Filter 115 aus
gelangt der Kraftstoff über eine Leitung zu einer Hochdruckpumpe 125.
Die Verbindungsieitung zwischen dem zweiten Filter 115 und
der Hochdruckpumpe 125 steht ferner über eine
ein Niederdruckbegrenzungsventil 145 aufweisende Verbindungsleitung
mit dem Vorratsbehälter 100 in Verbindung. Die
Hochdruckpumpe 125 steht mit einem Rail 130 in
Verbindung. Das Rail 130 wird auch als (Hochdruck-)Speicher
bezeichnet und steht wiederum über Kraftstoffleitungen
mit verschiedenen Injektoren 131 in druckleitender Verbindung. Über
ein Druckablassventil 135 ist das Rail 130 mit dem
Kraftstoffvorratsbehälter 100 verbindbar. Das Druckablassventil 135 ist
mittels einer Spule 136 steuerbar.
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Die
Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 125 und
dem Eingang des Druckablassventils 135 werden als „Hochdruckbereich” bezeichnet.
In diesem Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Der Druck
im Hochdruckbereich wird mittels eines Sensors 140 erfasst.
Die Leitung zwischen dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 und
der Hochdruckpumpe 125 werden hingegen als „Niederdruckbereich” bezeichnet.
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Eine
Steuerung 160 beaufschlagt die Hochdruckpumpe 125 mit
einem Ansteuersignal AP, die Injektoren 131 jeweils mit
einem Ansteuersignal A und/oder das Druckablassventil 135 mit
einem Ansteuersignal AV. Die Steuerung 160 verarbeitet
verschiedene Signale unterschiedlicher Sensoren 165, die
den Betriebszustand der (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine
und/oder des Kraftfahrzeuges, welches von dieser Brennkraftmaschine
angetrieben wird, charakterisieren. Ein solcher Betriebszustand ist
beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine.
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Das
in 1 gezeigte Einspritzsystem arbeitet wie folgt:
Der Kraftstoff, der sich im Kraftstoffvorratsbehälter 100 befindet,
wird mittels der Vorförderpumpe 110 durch den
ersten Filter 105 und den zweiten Filter 115 hindurch
gefördert. Steigt der Druck im genannten Niederdruckbereich
auf unzulässig hohe Werte an, so öffnet das Niederdruckbegrenzungsventil 145 und
gibt die Verbindung zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 110 und
dem Vorratsbehälter 100 frei. Die Hochdruckpumpe 125 fördert die
Kraftstoffmenge Q1 vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich.
Die Hochdruckpumpe 125 baut dabei im Rail 130 einen
sehr hohen Druck auf. Üblicherweise werden bei Einspritzsystemen
für fremdgezündete Brennkraftmaschinen maximale Druckwerte
von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen
(Diesel-Brennkraftmaschinen) maximale Druckwerte von etwa 1000 bis 2000
bar erzielt. Mittels der Injektoren 131 kann der Kraftstoff
damit unter hohem Druck den einzelnen Verbrennungsräumen
(Zylindern) der Brennkraftmaschine zugemessen werden.
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Mittels
des Sensors 140 wird der Druck P im Rail bzw. im gesamten
Hochdruckbereich erfasst. Mittels der steuerbaren Hochdruckpumpe 125 und/oder
des Druckablassventils 135 wird der Druck im Hochdruckbereich
geregelt.
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Als
Vorförderpumpe 110 werden üblicherweise
Elektrokraftstoffpumpen eingesetzt. Für höhere Fördermengen,
die insbesondere bei Nutzkraftfahrzeugen erforderlich sind, können
auch mehrere parallelgeschaltete Vorförderpumpen eingesetzt
werden.
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Einspritzungen
bei derartigen Brennkraftmaschinen werden während eines
Zumesszyklus in mehrere Teileinspritzungen aufgeteilt. In der Regel sind
wenigstens eine oder zwei Voreinspritzungen, eine Haupteinspritzung
und wenigstens eine Nacheinspritzung vorgesehen. Die Abstände
der einzelnen Teileinspritzungen sind variabel applizierbar, sie können
abhängig von dem System fest vorgegeben oder aber abhängig
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgegeben werden.
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Jede
Einspritzung bei derartigen Mehrfacheinspritzungen löst
im Leitungssystem des Common-Rail-Hochdruckkreises Schwingungen,
sogenannte Druckwellen, aus. Diese Druckwellen beeinflussen in systematischer
Weise die Mengen nachfolgender Einspritzungen. Die über
dem Zeitabstand einzelner Teileinspritzungen wellenförmig
veränderte Einspritzmenge ist schematisch in 3 anhand
der Kurve 310 dargestellt. Eine solche nachfolgend kurz als „Mengenwelle” bezeichnete
Störung wird durch an sich bekannte Verfahren zur Druckwellenkorrektur in
einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine, insbesondere im
Motorsteuergerät kompensiert. Aus prinzipiellen Gründen
erreicht eine solche Kompensation jedoch nur eine endliche Korrekturgüte.
Den Mengenwellen werden neben höherfrequenten Schwingungen
auch durch mechanische Einflüsse, beispielsweise durch
ein Ankergrellen bei Common-Rail-Injektoren, hervorgerufene Störungen überlagert.
Diese können aus prinzipiellen Gründen durch an
sich bekannte Druckwellenkorrektur-Verfahren nicht kompensiert werden
und bleiben als nachfolgend so bezeichnete „Restmengenwelle” übrig.
Es verbleibt demnach eine Abweichung der Istmenge vom Sollwert in
Form dieser Restmengenwellen. Grundidee der Erfindung ist es nun,
auch diese Restmengenwellen zu kompensieren und damit die Messgenauigkeit
weiter zu verbessern.
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Um
derartige Restmengenwellen ebenfalls zu kompensieren und so die
Zugmessgenauigkeit bei Mehrfacheinspritzungen weiter zu verbessern,
wird bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
und in Verbindung mit 2a schematisch erläuterten
Verfahrens zunächst in einem ersten Schritt 210,
der als Basiskorrektur bezeichnet werden kann, aus den Eingangsgrößen
eingespritzte Menge qRoh, Raildruck pRail, Zeitdifferenz zwischen zwei
benachbarten Einspritzungen tdiff und beeinflusste
nachfolgende Teileinspritzmenge qE2 eine Basiskorrektur dahingehend
vorgenommen, dass zunächst aus den in einem Basiskennfeld 211 gespeicherten
Referenzkurven, die zuvor bei einer Gruppierung in Druckstufen zu
jedem Druck ermittelt, insbesondere berechnet, und gespeichert wurden,
ein Basiskorrekturwert ermittelt oder berechnet wird, der anschließend
in einem Schritt 215 mit einem Skalierungsfaktor, der einem
Skalierungskennfeld 214 entnommen wird, multipliziert wird.
Das Skalierungskennfeld 214 enthält Faktoren zur
optimierten Anpassung der Referenzkurve des Basiskennfelds 211 an den
jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, also an den aktuellen
Messpunkt.
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Eine
alternative Ausgestaltung des Verfahrens wird nachfolgend in Verbindung
mit 2b beschrieben, in der gleiche Elemente mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind wie in 2a,
auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Alternativ
zu der vorbeschriebenen Bestimmung der Basiskorrektur mittels des
Basiskennfelds 211 und der Skalierung mittels des Skalierungskennfelds 214 kann
die Basiskorrektur auch durch ein mathematisches Modell, in 2b durch
eine Funktion 212: q = f(x) auf Basis mehrerer überlagerter
exponentiell gedämpfter Sinusschwingungen und einem Funktionsterm
zur Beschreibung der nichthydraulischen Schwingungsanteile ausgeführt
werden. Dieses mathematische Modell beschreibt das Basiskennfeld 211,
das Skalierungskennfeld 214 und den Schritt 215 analytisch.
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Anschließend
erfolgen in den Schritten 223, 233 zwei Additionen
von nachfolgend erläuterten Größen qm
und qL zu dem so ermittelten Korrekturwert. Eine erste Addition 223 berücksichtigt
den überlagerten injektorspezifischen mechanischen Anteil. Dieser
Anteil qm wird in einem Schritt 220 bestimmt und basiert
auf injektorspezifischen Parametern, die beispielsweise in einen
dem Injektor zugeordneten Data-Matrix-Code 221 abgelegt
sind und beim Injektoreinbau einem Motorsteuergerät mitgeteilt
werden. „Mitgeteilt” bedeutet dabei so viel wie
Berücksichtigung der entsprechenden Daten.
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Eine
weitere Addition 233 berücksichtigt Lernpunkte
während des Betriebs der Brennkraftmaschine. Auch diese
Werte sind injektorindividuell, sie werden beispielsweise dadurch
bestimmt, dass Lernpunkte während des Betriebs der Brennkraftmaschine „angefahren” werden.
Der Korrekturwert qL wird in einem Schritt 230 berechnet.
Der Vorteil dieser Berücksichtigung liegt darin, dass eine
bessere Anpassung zwischen Messung und Fahrbetrieb hierdurch realisiert
werden kann und dass insbesondere eine Berücksichtigung
während des Betriebs der Brennkraftmaschine, also über
deren Lebenszeit hierdurch realisierbar ist. Dies ermöglicht
eine Kompensation von durch Alterungseffekte beispielsweise der
Injektoren hervorgerufenen Fehlern.
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Das
Ergebnis dieser Berechnung ist eine korrigierte Einspritzmenge qkorr. In 3 ist schematisch
anhand der Kurve 320 ein Beispiel einer auf diese Weise
erzeugten Korrektur eines Signals 310 dargestellt. Wie
dieser Fig. zu entnehmen ist, ist die Restmengenwelle weitestgehend
kompensiert, die positiven wie negativen Mengenabweichungen sind deutlich
reduziert.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm
auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer
Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode
kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein,
den das Steuergerät lesen kann. Auf diese Weise ist das
Verfahren auch bei bestehenden Steuergeräten gewissermaßen „nachrüstbar”.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1303693
B1 [0004]
- - DE 19712143 A1 [0005]