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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Betreiben mindestens einer Einspritzdüse eines Verbrennungsmotors.
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Stand der Technik
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Bei Common Rail Injektoren handelt es sich um Einspritzsysteme für Verbrennungsmotoren, die nach dem Prinzip der Speichereinspritzung funktionieren, wobei für alle Zylinder eines Verbrennungsmotors ein gemeinsamer Kraftstoff-Hochdruckspeicher verwendet wird. Zum Betätigen einer Einspritzdüse kommen Piezo-Aktoren bzw. Piezo-Steller, bspw. CRI3.1, CRI3.2, CRI3.3 von der Robert Bosch GmbH, mit verschiedenen Funktionen zum Einsatz. Eine Aufgabe dieser Funktionen ist es, die Toleranzen über ein Exemplar und eine Lebensdauer des Einspritzsystems möglichst gering zu halten.
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Als eine erste Funktion ist die IVA (Injector Voltage Adjustment) zur Gleichstellung der Spannung verschiedener Injektoren ab Werk vorgesehen. Für diese Funktion wird bereits bei der Fertigung der Spannungsbedarf jedes Injektors vermessen und beim Einbau über einen Code, der die sogenannte IVA-Klasse festlegt, im EEPROM eines Steuergeräts zur Steuerung des Einspritzsystems gespeichert.
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Als zweite Funktion wird die NVC (Nominal Voltage Calibration) zum Ausgleich des Drifts im Spannungsbedarf über die Lebensdauer berücksichtigt.
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Ein Verfahren zur Ermittlung der Ansteuerspannung eines piezoelektrischen Elements ist aus der Druckschrift
DE 103 15 815 A1 bekannt. Hierbei wird ein Spannungsabfall an dem piezoelektrischen Element nach einem Ladevorgang erfasst. Aus diesem Spannungsabfall wird auf die Ansteuerspannung des piezoelektrischen Elements geschlossen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Mit der Erfindung kann eine Spannungskompensation zum Ausgleich von lebensdauerabhängigen Drifts bzw. Abweichungen von Einspritzdüsen, bspw. von Piezoinjektoren und somit von Einspritzdüsen, die von Piezo-Aktoren betätigt werden, erreicht werden. Sobald durch Variation einer charakteristischen Spannung, die zur Ansteuerung einer Einspritzdüse vorgesehen ist, eine geeignete, optimale Sollspannung ermittelt ist, kann die Einspritzdüse, bspw. ein Piezo-Aktor der Einspritzdüse, während des Betriebs mit dieser Sollspannung angesteuert werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist eine Funktion zur Kalibrierung der Spannung und somit der Sollspannung sowie zum Schnelllernen im Leerlauf vorgesehen, die für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden kann. Somit ist es möglich, als Alternative zur NVC, den Drift des Spannungsbedarfs über die Lebensdauer ggf. auch betriebsbegleitend auszugleichen. Weiterhin kann nach einem Injektortausch eine Plausibilisierung der programmierten IVA-Klasse im Service-Fall erfolgen, um somit Forderungen der Luftreinhaltungskommision Californiens (CARB) oder für eine On Board Diagnose (OBD) zu erfüllen. Die Erfindung bietet auch eine Alternative zur IVA-Vermessung im Werk an.
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Bei einer Ausführung des Verfahrens wird eine zur Ansteuerung vorgesehene, üblicherweise charakteristische Spannung bzw. Ansteuerspannung der momentenbildenden Einspritzungen für eine ausgewählte Einspritzdüse bzw. einen ausgewählten Injektor variiert. Üblicherweise wird diese Spannung bis zum Unterschreiten der Funktionsgrenze des Injektors kontinuierlich abgesenkt. Dies erfolgt in einer Ausführungsform der Erfindung nur bei Voreinspritzungen auf einem ausgewählten Zylinder bei jedem zweiten Lastspiel. Dabei wird aus dem sich ergebenden Peak bzw. Scheitelpunkt im Spektrum der Drehzahl und demnach des Drehzahlmusters der Spannungsbedarf jedes Injektors vermessen. Dem hierbei ermittelten Peak ist eine Spannung zur Ansteuerung der Einspritzdüse zugeordnet. Diese Spannung entspricht der für den Betrieb der Einspritzdüse, die in der Regel mit einem Piezo-Aktor zusammenwirkt, geeigneten Sollspannung.
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Im Gegensatz zur NVC kann die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Funktion betriebsbegleitend, typischerweise in jeder Leerlaufphase des Verbrennungsmotors, automatisch, bspw. nach festgelegten Zeitintervallen, zum Einsatz kommen. Falls die ermittelte Spannung von einer bisherigen charakteristischen Spannung zur Ansteuerung abweicht, kann eine Nachjustierung der Spannung auch dynamisch und/oder betriebsbegleitend vorgenommen werden. Die NVC funktioniert dagegen üblicherweise nur bei Injektoren mit einem zweiten Hubanschlag des Schaltventils im geöffneten Zustand. Weiterhin kann die in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Kompensationsfunktion auch bei Injektoren eingesetzt werden, die diesen zweiten Hubanschlag nicht aufweisen, da u. a. in diesen Fällen die direkte Mengenwirkung der Ansteuerung statt der rückgemessenen Ansteuerspannung ausgenutzt wird.
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Die beschriebene Anordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Anordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Anordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Anordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen einzelner Komponenten der Anordnung oder der gesamten Anordnung realisiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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 ein Diagramm mit einer Spannungsbedarfskennlinie zur Bestimmung einer IVA-Klasse.
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2 zeigt ein Diagramm zu einem Verlauf einer Ansteuerspannung für einen Piezo-Aktor einer Einspritzdüse.
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3 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf einer Ansteuerspannung und eines Drehzahlmusters.
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4 zeigt ein Diagramm zur Verschiebung des Spannungspunkts während eines im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Lernens.
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5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Auswirkung eines Lerneingriffs auf das Drehzahlmuster bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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6 zeigt ein Diagramm für die Höhe eines charakteristischen Peaks in Abhängigkeit von der Ansteuerspannung.
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7 zeigt in schematischer Darstellung Komponenten eines Verbrennungsmotors sowie eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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In dem Diagramm aus 1 ist entlang einer vertikal orientierten Achse 2 eine Einspritzmenge einer Einspritzdüse über einer horizontal orientierten Achse 4 für die Spannung, die an einer Einspritzdüse anliegt, aufgetragen. Weiterhin ist in diesem Diagramm der Einfluss der für eine Ansteuerung vorgesehen Spannung auf die Einspritzmenge für einen bestimmten Raildruck qualitativ dargestellt. Das Maß für die Festlegung einer IVA-Klasse ist dabei durch die charakteristische Spannung Uchar,1 6 für eine erste IVA-Klasse (Kurve 8) und die charakteristische Spannung Uchar,2 10 für eine zweite IVA-Klasse (Kurve 12) exemplarisch dargestellt. Angesteuert wird die Einspritzdüse dann mit der raildruckabhängigen Spannung U(pRail) = Uchar + UOffset, wobei UOffset 14 einen konstanten Spannungsoffset darstellt.
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In dem Diagramm aus 2 ist entlang einer vertikal orientierten Achse 20 über einer horizontal orientierten Achse 22 für die Zeit eine Spannung aufgetragen, die an einer Einspritzdüse, hier an einem Piezo-Aktor einer Einspritzdüse bzw. eines Injektors während eines Einspritzvorgangs anliegt und zur Ansteuerung der Einspritzdüse vorgesehen ist. Eine Kurve 24 dieser Spannung bzw. Ansteuerspannung umfasst während eines ersten Zeitintervalls 25 eine Ladephase 26, während eines zweiten Zeitintervalls 27 eine Haltephase 28 und während eines dritten Zeitintervalls 29 eine Entladephase 30 der Einspritzdüse. Die Spannungsdifferenz ΔU 32 zwischen der Spannung kurz nach dem Laden und der Spannung kurz vor dem Entladen entspricht dabei einem raildruckabhängigen Vorgabewert. Ist diese Vorgabe nicht erfüllt, wird bei Durchführung einer NVC (Nominal Voltage Calibration Funktion) die Sollspannung kurz vor dem Entladen so lange verändert, bis sich die korrekte Spannungsdifferenz ΔU 32 einstellt. Durch diesen Kompensationsmechanismus wird die lebensdauerabhängige Drift des Injektors ausgeglichen.
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Das Muster der Spannungsdifferenz ΔU 32 unterliegt dabei vielen Einflüssen, die zum Versagen der NVC führen können. Durch eine Lernfreigabe auf bestimmte Bereiche im Betriebsraum des Einspritzsystems, das üblicherweise mindestens eine Einspritzdüse umfasst, kann gewährleistet werden, dass solche Einflüsse verringert werden.
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Das in 3 gezeigte Diagramm weist eine horizontal orientierte Achse 40 für die Zeit auf. Entlang einer ersten, unteren vertikal orientierten Achse 42 ist hier ein Drehzahlmuster n 44 aufgetragen. Dazu synchron ist entlang einer zweiten, oberen vertikal orientierten Achse 46 die zur Ansteuerung der Einspritzdüse vorgesehene Spannung U aufgetragen.
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Durch Ansteuerung der Injektoren mit der Spannung U für die Ansteuerung ergibt sich etwa der in dem Diagramm aus 3 dargestellte Einspritzverlauf 48 und daraus das charakteristische Drehzahlmuster n 44. Abgebildet ist ein Lastspiel eines 4-Zylinder-Motors, das zwei Kurbelwellenumdrehung oder eine Nockenwellenumdrehung umfasst. Im Detail umfasst der Einspritzverlauf 48 für einen ersten Zylinder zwei Voreinspritzungen Pil2 50, Pil1 58 und eine Haupteinspritzung Ml 66, für einen zweiten Zylinder zwei Voreinspritzungen Pil2 52, Pil1 60 und eine Haupteinspritzung Ml 68, für einen dritten Zylinder zwei Voreinspritzungen Pil2 54, Pil1 62 und eine Haupteinspritzung Ml 70 sowie für einen vierten Zylinder zwei Voreinspritzungen Pil2 56, Pil1 64 und eine Haupteinspritzung Ml 72. Das Drehzahlmuster n 44 weist an Oberen Totpunkten (OT) einer Stellung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors jeweils ein Minimum 74 auf.
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In Ausgestaltung ist zur Durchführung der Erfindung vorgesehen, dass alle Funktionen, die die Gleichförmigkeit der Motorrotation im Leerlauf beeinflussen, z. B. die Leerlaufregelung (LLR), Mengenausgleichsregelung (Fuel Balance Control, FBC), Nullmengenkalibrierung (NMK) usw., bereits eingeregelt sind und während der Lernphase der Driftkompensation für einen Bedarf der Spannung inaktiv geschalten werden.
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Wie das Diagramm aus 1 weist das in 4 gezeigte Diagramm eine vertikal orientierte Achse 2 für die Einspritzmenge und eine horizontal orientierte Achse 4 für die Spannung auf. Das Einlernen des Spannungsdrifts beginnt beispielsweise mit dem ersten Zylinder 1. Der erste Injektor 1 zeigt ab Werk die im Diagramm aus 4 dargestellte durchgezogene Kurve 80 mit ursprünglicher charakteristischer Spannung Uchar,u 82, die allerdings in Folge der Lebensdauer beispielsweise etwas zu höheren Werten für die Spannung gedriftet ist, was hier durch eine gedriftete, strichpunktierte Kurve 84 mit gedrifteter, charakteristischer Spannung Uchar,d 86 dargestellt ist. Eine dem Arbeitspunkt entsprechende ursprüngliche Spannung UAP,1 88 führt also aufgrund des Drifts nur zu geringen Einflüssen auf eine Menge des eingespritzten Kraftstoffs. Allerdings ist die zur Ansteuerung vorgesehene Ansteuerspannung näher an der Funktionsgrenze des Injektors bzw. der Einspritzdüse und damit gegen Störungen weniger robust.
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Das im Rahmen des Verfahrens u. a. vorgesehene Lernen erfolgt über eine Verschiebung des Arbeitspunkts des ausgewählten Injektors. Statt mit der bereits eingestellten ursprünglichen Spannung bzw. Sollspannung UAP,1 88 für einen Arbeitspunkt wird der Injektor in der Lernphase für ein paar Lastspiele des Verbrennungsmotors mit einer verringerten Spannung U'AP 90 für den Arbeitspunkt angesteuert. Dabei wird die niedrigere Spannung U'AP 90 nur bei jeder zweiten Nockenwellenumdrehung verwendet.
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Das Diagramm aus 5 ist ebenso wie das Diagramm aus 3 strukturiert und umfasst eine horizontal orientierte Achse 40 für die Zeit sowie eine erste, vertikal orientierte Achse 42 für das Drehzahlmuster n 44 und eine zweite, vertikal orientierte Achse 46 für die Spannung U. Über die Mengenwirkung der erniedrigten Spannung, die zur Ansteuerung der Einspritzdüse vorgesehen ist, ergibt sich eine Rückwirkung auf das Moment des Verbrennungsmotors und damit auf das sich dadurch verringernde Drehzahlmuster n 44. Dies ist in 5 lediglich für den ersten Zylinder über verringerte Voreinspritzungen Pil2 100, Pil1 102, eine verringerte Haupteinspritzung Ml 104 sowie ein resultierendes verringertes Drehzahlmuster n 106 zwischen den beiden ersten dargestellten Minima 74 dargestellt.
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Durch das niedrigere Moment fällt auch der verbrennungsbedingte Drehzahlanstieg an dem jeweiligen Zylinder nicht so stark aus (verringertes Drehzahlmuster n 106). Im Spektrum der Drehzahl bzw. des Drehzahlsignals macht sich dies als Peak bei einer Frequenz bemerkbar, die typischerweise der halben Nockenwellendrehzahl entspricht.
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In dem Diagramm aus 6 ist eine Peakhöhe 120 einer Fourier-Transformation des Drehzahlsignals entlang einer vertikal orientierten Achse 122 über der Ansteuerspannung U'AP, die bei Ausführung des Verfahrens üblicherweise für den Arbeitspunkt verringert wird, entlang einer horizontal orientierten Achse 4 aufgetragen. Zur Bereitstellung des Diagramms aus 6 wird aus dem zeitlichen Verlauf eines Drehzahlmuster n 44, der bspw. in 5 dargestellt ist, die Fourier-Transformation durchgeführt und somit ein Spektrum des Drehzahlmusters bereitgestellt.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird nur jedes zweite Lastspiel zur Absenkung der Spannung bzw. zur Einstellung der erniedrigten Spannung U'AP genutzt. Dadurch ergibt sich, dass im Spektrum der Frequenz eine Trennung von exemplarabhängigen Effekten erreicht werden kann, die bei der halben Nockenwellendrehzahl im Spektrum sichtbar sind. Die Peakhöhe 120 ist direkt ein Maß dafür, wie weit der Wert für die Sollspannung UAP,1 88 von der Spannung UF 124 für die Funktionsgrenze entfernt ist. Qualitativ ergibt sich der im Diagramm aus 6 dargestellte Verlauf der Peakhöhe 120 mit einer Spannungsdifferenz ΔUF 126. Die Peakhöhe 120 für Nockenwellendrehzahl oder ein entsprechendes Nockenwellensignal kann bei einer Ausführung des Erfindung variieren.
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Auf diese Art kann mit der Spannungsdifferenz ΔUF 126 der Abstand der Spannung U'AP, die während des Verfahrens für einen aktuellen Arbeitspunkt durch Variation eingestellt wird, von der Funktionsgrenze des Injektors ermittelt werden. Dieser Abstand wird dann konstant gehalten, was dazu führt, dass im Fall des gedrifteten Injektors, wie im Diagramm aus 4 gezeigt, der korrekte Arbeitspunkt auf eine neue Spannung bzw. Sollspannung UAP,1,neu 128 verschoben wird, die zum weiteren Betrieb der Einspritzdüse zur Ansteuerung der Einspritzdüse verwendet werden kann.
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7 zeigt in schematischer Darstellung einen ersten Zylinder 140 sowie einen n-ten Zylinder 142 eines Verbrennungsmotors 144. Innerhalb dieses Verbrennungsmotors 144 ist jedem der genannten Zylinder 140, 142 eine Einspritzdüse 146, 148 zugeordnet. Die dargestellten Einspritzdüsen 146, 148 bilden Komponenten eines sogenannten Common-Rail-Systems zur Umsetzung einer Speichereinspritzung der Zylinder 140, 142 des Verbrennungsmotors 144. Während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 144 werden die Einspritzdüsen 146, 148 durch jeweils zugeordnete Piezo-Aktoren 150, 152 zur Umsetzung von Einspritzvorgängen für die Zylinder 140, 142 geöffnet und geschlossen. Eine Kontrolle und/oder Regelung eines Betriebs der Einspritzdüsen 146, 148 und der zugeordneten Piezo-Aktoren 150, 152 erfolgt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 154. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen der Anordnung 154 und jeweils einem Zylinder 140, 142 mit zugeordneter Einspritzdüse 146, 148 und zugeordnetem Piezo-Aktor 150, 152 Informationen ausgetauscht werden. Somit ist es möglich, eine Funktion der genannten Komponenten des Verbrennungsmotors 144, d. h. der Zylinder 140, 142, der Einspritzdüsen 146, 148 sowie der Piezo-Aktoren 150, 152 zu überwachen.
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Die Anordnung 154 ist weiterhin dazu ausgebildet, an die Piezo-Aktoren 150, 152 und somit an die Einspritzdüsen 146, 148 Spannungen anzulegen, wie sie bspw. in den Diagrammen aus den 2, 3, 5 dargestellt sind. Durch die angelegten Spannungen werden Abmessungen der Piezo-Aktoren 150, 152 dynamisch verändert und dadurch die zugeordneten Einspritzdüsen 146, 148 geöffnet und geschlosen.
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Während einer längeren Betriebszeit der beschriebenen Komponenten des Verbrennungsmotors 144 kann dies dazu führen, dass Sollbetriebsparameter, die ursprünglich ab Werk eingestellt werden, sich verändern. Dies kann u. a. die Sollspannungen betreffen, die zur Ansteuerung der Piezo-Aktoren 150, 152 vorgesehen sind.
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Bei einer möglichen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die hier gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 154 werden betriebsbedingte Abweichungen der ursprünglich vorgesehenen Sollspannungen korrigiert und betriebsgünstige Sollspannungen neu eingestellt.
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Dabei wird für einen Arbeitspunkt die an einem Piezo-Aktor 150, 152 angelegte Spannung, bspw. während eines Leerlaufs des Verbrennungsmotors 144, variiert und ein Drehzahlmuster des Verbrennungsmotors 144 in Abhängigkeit dieser variierten Spannung ermittelt. Dabei ergibt sich in einem Spektrum des Drehzahlmusters ein Peak. Eine im Rahmen des Verfahrens ermittelte Spannung, die dem genannten Peak zugeordnet ist, kann dann bei einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 144 als zukünftige Sollspannung für jeweils eine Einspritzdüse 146, 148, typischerweise für jeweils einen Piezo-Aktor 150, 152 verwendet werden.
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Alle gezeigten Ausführungsformen der Erfindung haben gemeinsam, dass zur Durchführung des Verfahrens für mindestens eine Einspritzdüse 146, 148 eines Verbrennungsmotors 144, eine an der Einspritzdüse 146, 148 anliegende Spannung 6, 10, 82, 86, 90, 124 variiert und ein Drehzahlmuster 44, 106 des Verbrennungsmotors 144 in Abhängigkeit der Spannung 6, 10, 82, 86, 90, 124 ermittelt wird. Eine zum Betreiben der mindestens einen Einspritzdüse 146, 148 geeignete Sollspannung 88, 128 entspricht jener variierten, angelegten Spannung 6, 10, 82, 86, 90, 124, für die sich in einem Spektrum des Drehzahlmusters 44, 106 ein Peak einstellt. Hierzu wird die Spannung 6, 10, 82, 86, 90, 124 üblicherweise für einen Arbeitspunkt variiert. Die in 7 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 154 ist bspw. zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
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Weiterhin ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Einspritzdüse 146, 148 ein Aktor zugeordnet ist, wobei der Aktor auch als eine Komponente der Einspritzdüse 146, 148 ausgebildet sein kann. Ein derartiger Aktor ist dazu ausgebildet, die Einspritzdüse 146, 148 zu öffnen und zu schließen. Die hierzu vorgesehene Spannung 6, 10, 82, 86, 90, 124 zur Betätigung der Einspritzdüse 146, 148 ist hierbei an dem Aktor und somit mittelbar an der Einspritzdüse 146, 148 anzulegen. In der Ausführungsform wird dann die an dem Aktor angelegte Spannung 6, 10, 82, 86, 90, 124 typischerweise für einen Arbeitspunkt variiert. Als Aktoren sind u. a. Piezo-Aktoren 150, 152 geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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