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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Überdrucks
in einem Kraftstoffspeicher eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine,
ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Bei
Dieselmotoren sind heutzutage Common-Rail-Systeme (CRS) zur Kraftstoffeinspritzung weit
verbreitert. Ein bekanntes Common-Rail-System wird anhand 1 erläutert. 1 zeigt
ein Einspritzsystem 100 für eine Brennkraftmaschine
wie es der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. Das Einspritzsystem 100 umfasst
einen Kraftstofftank 110, aus dem mittels einer elektrischen
Kraftstoffpumpe 120 (EKP) Kraftstoff zu einer Zumesseinheit
(ZME) 130 gefördert wird. Die Zumesseinheit 130 stellt
in Reaktion auf ein Regelsignal z eines Steuergerätes 180 eine
bestimmte Kraftstoffmenge für eine nachgeschaltete Hochdruckpumpe 140 bereit.
Die Hochdruckpumpe 140 pumpt den Kraftstoff in einen Kraftstoffspeicher
(Common-Rail) 150, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck
gespeichert wird, um auf Abruf für Einspritzventile (Injektoren) 160 zur
Verfügung zu stehen. Der Kraftstoffspeicher 150 ist
mit einem Drucksensor 170 (Raildrucksensor, RDS) ausgestattet,
der zur Bestimmung des Druckes in dem Kraftstoffspeicher dient.
Der Drucksensor 170 übermittelt den gemessenen
Druck in dem Kraftstoffspeicher 150 in Form eines Messsignals
p an das Steuergerät 180 des Einspritzsystems 100.
Das Messsignal kann digital oder analog ausgebildet sein.
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Herkömmliche
(Rail-)Drucksensoren liefern ein Messsignal am Ausgang, das proportional
zum gemessenen (Rail-)Druck ist. Herkömmlicherweise werden
Drucksensoren eingesetzt, die ein maximales Messsignal ausgeben,
das einem Druckwert entspricht, der ca. 200 bar über dem üblichen
Betriebsdruck eines Einspritzsystems liegt. Es ist somit für das
angeschlossene Steuergerät nicht möglich, Drücke
oberhalb des maximal ausgebbaren Druckwertes zu bestimmen. Somit
ist das Steuergerät bisher nicht in der Lage, Überdrücke
bzw. schädliche Drücke schnell genug zu erkennen.
Aus diesem Grund werden bei bekannten Einspritzsystemen zusätzliche Elemente
wie beispielsweise Druckbegrenzungsventile eingesetzt, um schädliche
Drücke im Kraftstoffspeicher zu vermeiden.
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Es
sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, den Druck in dem
zu regeln oder auf ungefährliche Werte zu begrenzen. Beispielsweise
können die Hochdruckpumpe oder der Kraftstoffspeicher mit
einem Druckregelventil (DRV) ausgestattet sein, das einen Fördermengenüberschuss
zum Kraftstoffbehälter zurückführt.
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Um
die Kosten eines Einspritzsystems zu reduzieren, ist es auch bekannt,
sogenannte Einsteller-Systeme auszubilden, bei denen der Druck im Kraftstoffspeicher
nur mittels der Zumesseinheit eingestellt wird, wodurch es möglich
ist, auf das kostenintensive Druckregelventil zu verzichten. Um
allerdings den Raildruck im Fehlerfall zu begrenzen, wenn beispielsweise
ein Defekt der Zumesseinheit vorliegt, diese beispielsweise in einem
offenen Zustand verbleibt (ZME klemmt offen), ist es üblich,
Injektoren einzusetzen, die im Falle der Überschreitung eines
Druckschwellwerts (beispielsweise 2500 bar) öffnen und
ermöglichen, dass der Druck durch Leckage abgebaut wird.
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Es
werden allerdings auch Injektoren verwendet, die keine derartige Überdruckfunktionalität aufweisen
oder bei denen Leckage erst bei Drücken stattfindet, die
für das System bereits schädigend sind. Bei Einsatz
derartiger Injektoren ist es daher üblich, den Kraftstoffspeicher
mit einem Druckbegrenzungsventil (DBV) auszustatten, das bei Überschreiten
eines Druckschwellwerts öffnet und den Druck im Kraftstoffspeicher
abbaut. Diese Maßnahme hat jedoch den Nachteil, dass das
Einspritzsystem mit einem zusätzlichen Druckbegrenzungsventil
ausgestattet werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden
daher ein Verfahren zum Bestimmen eines Überdrucks in einem
Kraftstoffspeicher eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Common-Rail-Systems, ein entsprechendes Computerprogramm
sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen
der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen,
die diese Nachteile nicht aufweisen. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden
Beschreibung.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich,
unter Verwendung herkömmlicher Drucksensoren einen Überdruck
in einem Kraftstoffspeicher zu bestimmen und in der Folge Maßnahmen
zur Druckreduzierung einzuleiten, ohne zusätzliche, insbesondere
kostenintensive, Bauteile vorsehen zu müssen. Die Erfindung
bietet die Möglichkeit, ein Einspritzsystem, insbesondere
ein Common-Rail-System wie es beispielsweise in 1 dargestellt
ist, sicher zu betreiben und einen Überdruck schnell und sicher
zu erkennen, ohne beispielsweise ein Druckregelventil oder ein Druckbegrenzungsventil
einsetzten zu müssen. Es ist möglich einen unerwünschten Überdruck
bei Einspritzsystemen zu bestimmen, die mit einem Drucksensor ausgestattet
sind, dessen maximal ausgebbarer Signalwert selbst insbesondere
noch keinem unerwünschten Überdruck entspricht.
Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Druckschwellwert verwendet, dessen Überschreiten alleine
noch keinen Überdruck darstellt. Somit können
Drucksensoren verwendet werden, die einen beschränkten
Messbereich umfassen.
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Vorteilhafterweise
wird ein Überdruck in dem Kraftstoffspeicher nur festgestellt,
wenn der erfasste Druck den vorbestimmten Druckschwellwert innerhalb
einer vorbestimmten ersten Zeitdauer überschreitet, nachdem
die Ableitung des erfassten Drucks nach der Zeit den vorbestimmten
Steigungsschwellwert letztmalig überschritten hat. Die
vorbestimmte erste Zeitdauer kann Null bzw. beliebig klein sein.
Somit wird bspw. ein Überdruck festgestellt, wenn der Steigungsschwellwert
bis zum Überschreiten des Druckschwellwerts überschritten
bleibt. Ebenso kann ein zeitlicher Abstand als unschädlich für
das Erkennen eines Überdrucks vorgesehen werden. Somit
kann ein Überdruck auch bei kurzzeitigem (entsprechend
der ersten Zeitdauer) Unterschreiten des Steigungsschwellwertes
vor dem Überschreiten des Druckschwellwertes festgestellt
werden.
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Zweckmäßigerweise
wird ein Überdruck in dem Kraftstoffspeicher nur festgestellt,
wenn der erfasste Druck den vorbestimmten Druckschwellwert länger
als eine vorbestimmte zweite Zeitdauer überschreitet. Somit
kann ein kurzzeitiges (entsprechend der zweiten Zeitdauer) und somit
unschädliches Überschreiten des Druckschwellwertes
akzeptiert werden, ohne einen Überdruck festzustellen.
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Es
ist von Vorteil, wenn ein Überdruck in dem Kraftstoffspeicher
nur festgestellt wird, wenn die Ableitung des erfassten Drucks nach
der Zeit den vorbestimmten Steigungsschwellwert länger
als eine vorbestimmte dritte Zeitdauer überschreitet.
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Die
erste, zweite und dritte Zeitdauer können unabhängig
voneinander gewählt werden, so dass eine vorteilhafte Kombination
der Zeitdauern für das jeweils zu behandelnde Einspritzsystem
bereitstellbar ist. Ein vorteilhafter Wert für die zweite
Zeitdauer ist bspw. 10 ms. Somit muss der Druckschwellwert mind.
10 ms überschritten werden, um einen Überdruck
festzustellen. Mit den beschriebenen Parameter (Zeitdauern und Schwellwerte)
kann das Verfahren optimal auf unterschiedliche Einspritzsysteme abgestimmt
werden.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn eine Kraftstoffpumpe, welche den
Kraftstoff einer Zumesseinheit bereitstellt und/oder eine Hochdruckpumpe,
welche den Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher pumpt, abgeschaltet
werden, wenn ein Überdruck festgestellt wird. Damit kann
die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Einspritzsystems
vermindert werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird Kraftstoff
aus dem Kraftstoffspeicher abgegeben, wenn ein Überdruck festgestellt
wird. Dies kann vorzugsweise nicht-momentenwirksam über
die Injektoren erfolgen, wie es auch in der
DE 196 36 397 A1 beschrieben
ist. Damit lässt sich die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des
Einspritzsystems weiter vermindern.
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Zweckmäßigerweise
wird ein Fehlerzählwert vorgesehen, der, vorzugsweise um
eins, erhöht wird, wenn ein Überdruck festgestellt
wird. Beispielsweise ist eine Zumesseinheit nicht beim ersten Auftreten
eines Überdrucks defekt. Es kann bspw. ein Fehlerzählschwellwert
vorgesehen werden, bei dessen Überschreiten ein Defekt
festgestellt wird. Es besteht weiterhin die Möglichkeit,
einen Komponentenaustausch nach einer definierten Anzahl von Fehlerereignissen
vorzusehen.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein Steuergerät für ein
Kraftfahrzeug, das dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes
Verfahren auszuführen.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln,
die geeignet sind, ein erfindungsgemäßes Verfahren
auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder
einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einem erfindungsgemäßen
Steuergerät, ausgeführt wird.
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Das
erfindungsgemäß vorgesehene Computerprogrammprodukt
umfasst auf einem computerlesbaren Datenträger gespeicherte
Programmcodemittel, die geeignet sind, ein erfindungsgemäßes
Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einem
Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einem
erfindungsgemäßen Steuergerät, ausgeführt
wird. Geeignete Datenträger sind insbesondere Disketten,
Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMS, DVDs u. a. m. Auch
ein Download eines Programms über Computernetze (Internet,
Intrnet usw.) ist möglich.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Einspritzsystem für eine
Brennkraftmaschine.
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2 zeigt
schematisch eine Abhängigkeit eines gemessenen Raildrucks
von der Zeit.
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3 zeigt
schematisch eine Abhängigkeit eines Raildrucks sowie eines
Niederdrucks von der Zeit.
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4 zeigt
schematisch eine Abhängigkeit eines Raildrucks, eines Niederdrucks
sowie einer Einspritzmenge von der Zeit.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der
Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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In 2 ist
der Verlauf eines Messignals 210 eines gemessenen Raildrucks
gegen die Zeit in einem Diagramm 200 schematisch dargestellt.
Das Messignal ist als Spannungswert U in dem Diagramm 200 auf
einer ersten y-Achse 202 gegen die Zeit t auf einer x-Achse 201 aufgetragen.
Auf einer zweiten y-Achse 203 ist ein Druckwert p dargestellt,
der dem ausgegebenen Spannungswert entspricht. Es versteht sich,
dass ein Sensor ebenso ein digitales Messsignal ausgeben kann, das
den Druckwert darstellt. Das Messsignal 210 des Raildrucks
steigt über die Zeit an, bis es bei einem Zeitpunkt t0
in eine Sättigung übergeht. Zum Zeitpunkt t0 ist
somit der mit dem beispielhaft gewählten Raildrucksensor
maximal ausgebbare Messignalwert erreicht. Dieser Messignalwert
entspricht im gezeigten Beispiel einem Raildruckwert von ca. 2000
bar.
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Allerdings
ist bei Erreichen dieses Raildrucks noch kein für das System
schädlicher Druck erreicht. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Druckbegrenzungsventile sind beispielsweise auf Drücke
von ca. 2500 bar ausgelegt. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren ist es nun möglich, schädliche und unschädliche
Drücke zu unterscheiden, wie es nachfolgend beschrieben
wird.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform wird ein Überdruck,
d. h. insbesondere ein schädlicher Druck, festgestellt,
wenn der zeitabhängige Signalverlauf 210 zunächst
einen vorbestimmten Steigungswert überschreitet. Dieser
vorbestimmte Steigungswert ist in dem Diagramm 200 schematisch
als Gerade 210 dargestellt. Weiterhin ist es notwendig, dass
der Signalverlauf 210 im Anschluss (je nach Ausgestaltung
unmittelbar oder zeitlich verzögert) an das Übersteigen
des Steigungswertes 210 einen Signalschwellwert 220 überschreitet.
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Ein
Kurzschluss oder anderer Defekt des Sensors liefert üblicherweise
einen Signalwert, der deutlich über dem unter Betriebsbedingungen
maximal ausgebbaren Signalwert liegt. In der dargestellten Abbildung
könnte ein Ausgabewert im Falle eines Sensordefektes beispielsweise
bei 5 V liegen.
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In 3 sind
in einem Diagramm 300 zeitabhängige Druckverläufe 310, 320, 330 und 340 abgebildet.
Die Druckverläufe sind als Druckwerte p auf einer y-Achse 302 gegen
die Zeit t auf einer x-Achse 301 dargestellt. Der Druckverlauf 310 entspricht
einem Raildruckverlauf in einem Fehlerfall, in dem bei einem oben
beschriebenen Einsteller-System die Zumesseinheit in offenem Zustand
verbleibt. Es ist erkennbar, dass der Raildruckverlauf 310 längere
Zeit einen Wert von ca. 3800 bar besitzt, was üblicherweise
zu einer Beschädigung des Einspritzsystems führt.
Ein weiterer Druckverlauf 330 zeigt den zugehörigen
Druckverlauf im Niederdruckbereich, d. h. bspw. im Bereich vor der
Hochdruckpumpe 340 gemäß 1.
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Demgegenüber
entspricht der Raildruckverlauf 320 einem Druckverlauf,
bei dem unter Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens der Überdruck erkannt wird und danach vorteilhafterweise
die elektrische Kraftstoffpumpe 120 abgeschaltet wird. Man
erkennt, dass der Raildruckverlauf 320 nach einem Maximum
bei ca. 3600 bar wieder abfällt und auf einen Wert von
ca. 3000 bar zuläuft. Damit kann die Wahrscheinlichkeit
einer Schädigung des Einspritzsystems bereits verringert
werden. Dem Raildruckverlauf 320 ist der Niederdruckverlauf 340 zugehörig.
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Zur
Verbesserung des Druckabbaus ist es möglich, den Druck
im Kraftstoffspeicher bei Feststellen eines Überdrucks
durch Verwendung des erfindungsgemäß Verfahrens über
die Injektoren 160 zusätzlich abzubauen. Ein entsprechender
Druckverlauf ist in 4 abgebildet.
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In 4 sind
in einem Diagramm 400 zeitabhängige Druckverläufe 410, 430 sowie
ein zeitabhängiger Einspritzmengenverlauf 440 dargestellt.
Die Druckverläufe sind als Druckwerte p auf einer ersten y-Achse 402 gegen
die Zeit t auf einer x-Achse 401 aufgetragen. Der Einspritzmengenverlauf 440 ist
als Einspritzmenge m auf einer zweiten y-Achse 403 gegen
die Zeit t auf der x-Achse 401 aufgetragen.
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In 4 ist
ein Raildruckverlauf 410 dargestellt, wenn als zusätzliche
Maßnahme nichtmomentenwirksame Einspritzungen (Noteinspritzungen)
aktiviert werden. Hierbei kann es zweckmäßig sein,
anstelle einer großen Einspritzmenge pro Injektor und Zyklus
mehrere kleine Mengen pro Injektor einzuspritzen, um eine größere
Steuermenge in den Niederdruck abzusteuern. Diese sorgen mit gleichzeitigem
Abschalten der Kraftstoffpumpe dafür, dass der Raildruck
nicht über einen zulässigen Wert ansteigt. Das
Abschalten der Kraftstoffpumpe dient dazu, die zum Druckabbau notwendige
einzuspritzende Menge zu begrenzen. Dem Raildruckverlauf 410 ist
der Niederdruckverlauf 430 zugehörig.
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Der
Raildruckverlauf 410 weist anfänglich einen Wert
von ca. 1850 bar auf. Zu einem Zeitpunkt t1, der bei ca. 0,81 s
liegt, tritt ein Fehler in der Zumesseinheit des Einspritzsystems
auf, so dass die Zumesseinheit in einem offenen Zustand verbleibt.
In der Folge steigt der Raildruck stark an, bis er zu einem Zeitpunkt
t0 einen Schwellwert 420 überschreitet. Weiterhin
liegt die Steigung des Raildruckverlaufs zwischen den Zeitpunkten
t1 und t0 über einem vorbestimmten Steigungsschwellwert.
Das in 4 verwendete Verfahren ist bevorzugterweise so
ausgestaltet, dass ein Überdruck erkannt wird, wenn nach Überschreiten
des vorbestimmten Steigungsschwellwertes der vorbestimmte Druckschwellwert
länger als eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten
wird. In 4 entspricht diese Zeitdauer
dem Abstand t0 – t2 zwischen den Zeitpunkten t0 und t2.
Da der Raildruckverlauf 410 somit nach Erreichen des Zeitpunktes
t2 weiterhin den vorbestimmten Druckschwellwert 420 überschritten
hat, wird ein Überdruck festgestellt. Nach Feststellung
des Überdrucks Folge wird, wie bereits in Bezugnahme auf 3 beschrieben,
die Kraftstoffpumpe abgeschaltet. Zur Verbesserung des Druckabbaus
wird weiterhin eine nicht-momentenwirksame Einspritzung durchgeführt,
was anhand des Einspritzmengenverlaufs 440 ersichtlich
ist. Es ist erkennbar, dass im Vergleich zu 3 bei gleichen
Randbedingungen der Raildruck unterhalb von 2400 bar begrenzt werden
kann.
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Um
zu verhindern, dass nicht verbrannter Kraftstoff, insbesondere Diesel,
nach dem Ausstoßen aus dem Brennraum diesem wieder zugeführt
wird und verbrennt, sollte ein vorhandenes Abgasrückführventil
(AGR-Ventil) geschlossen werden. Um das Verbrennen des ausgestoßenen
Kraftstoffes zu hemmen, ist es sinnvoll die Sauerstoffmenge im Abgas
zu reduzieren. Hierfür sollte die Drosselklappe möglichst
weit geschlossen werden. Dabei ist zu beachten, dass je nach Betriebspunkt
des Motors im Luftsystem ein nennenswerter Unterdruck entstehen kann.
Bei völlig geschlossener Drosselklappe kann es zur Zerstörung
des Luftansaugtraktes und damit zur unkontrollierten Luftansaugung
kommen, was daher zu vermeiden ist.
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Durch
das erfindungsgemäß Verfahren kann ein schädlicher Überdruck
in einem Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine schnell erkannt
und in der Folge auch bevorzugterweise schnell abgebaut werden.
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Es
versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur eine besonders
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
Daneben ist jede andere Ausführungsform denkbar, ohne den Rahmen
dieser Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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