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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils insbesondere einer Kraftstoffeinspritzanlage.
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Einspritzventile, insbesondere Hochdruck-Einspritzventile für die Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung bei Kraftfahrzeugen sind dazu vorgesehen, Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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In den schematischen Schnittdarstellungen der 4a bis 4c ist eine erste Ausführungsform eines bekannten Einspritzventils gezeigt. Dort ist eine Ventilnadel VN in einer Öffnung eines Ankers AN in Richtung ihrer Längsachse verschiebbar geführt. Mit einem Ringbund RB kann die Ventilnadel VN auf dem Anker AN aufsitzen und von diesem mitgenommen werden. Der Anker AN und die Ventilnadel VN sind damit gemeinsam in Richtung der genannten Längsachse verschieblich. Die Bewegung des Ankers AN ist dabei durch einen Hubanschlag HA begrenzt. Die Ventilnadel VN und der Anker AN können in nicht-dargestellter Weise federbelastet sein. Der Anker AN ist Bestandteil eines Magnetkreises. Bei einer entsprechenden Bestromung des Magnetkreises kann der Anker AN hin- und herbewegt werden. Bewegt sich der Anker AN, wie in der 4a dargestellt, in die mit den Pfeilen p1 gezeigte Richtung, so nimmt der Anker AN die Ventilnadel VN in dieselbe Richtung mit. Der Anker AN schlägt dann am Hubanschlag HA an, wie dies in der 4b gezeigt ist. Die Ventilnadel VN bewegt sich jedoch weiter. Dies führt zu einem Überschwinger der Ventilnadel VN, der in der 4b mit den Pfeilen p2 angedeutet ist. Nachdem der Überschwinger abgeklungen ist, liegt die Ventilnadel VN mit ihrem Ringbund RB auf dem Anker AN auf. Dies ist in der 4c gezeigt.
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In der schematischen Schnittdarstellung der 5 ist eine zweite Ausführungsform eines bekannten Einspritzventils gezeigt. Dort ist der Anker ein Bestandteil der Ventilnadel VN. Beispielsweise kann der Anker in irgend einer Weise in den Ringbund RB der Ventilnadel VN integriert sein. Wird in diesem Fall der Magnetkreis mit einem Strom beaufschlagt, so bewegt sich die Ventilnadel VN in Richtung des Hubanschlags HA. Dies ist in der 5 mit den Pfeilen p3 angedeutet. Die Ventilnadel VN schlägt mit ihrem Ringbund RB am Hubanschlag HA an. Ein Überschwinger der Ventilnadel VN ist in diesem Fall nicht möglich.
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Das Aufschlagen des Ankers an dem Hubanschlag führt in beiden vorstehend erläuterten Fällen zu Geräuschen, die insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine deutlich zu vernehmen sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils zu schaffen, bei dem die Geräuschentwicklung vermindert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1.
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Das Einspritzventil weist eine Ventilnadel und einen Anker auf, wobei der Anker mittels einer Bestromung des Einspritzventils bewegbar ist, und wobei die Bewegung des Ankers durch einen Hubanschlag begrenzt ist. Die Bestromung des Einspritzventils wird für eine Bestromungszeitdauer vorgenommen, die derart gewählt ist, dass der Anker den Hubanschlag gerade noch nicht erreicht oder ihn mit einer nur geringfügigen Geschwindigkeit erreicht.
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Diese Vorgehensweise bringt den Vorteil mit sich, dass der Anker gar nicht oder zumindest nur unwesentlich auf den Hubanschlag aufprallt. Damit werden auch keine störenden Geräusche verursacht. Durch die Erfindung wird also die Geräuschentwicklung beim Betrieb des Einspritzventils wesentlich vermindert.
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Dies gilt für Einspritzventile, bei denen der Anker und die Ventilnadel als separate Bauteile ausgebildet sind, wie auch für Einspritzventile, bei denen der Anker und die Ventilnadel einteilig ausgebildet sind.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Bewegung der Ventilnadel, die von dem Anker mitnehmbar ist oder mitgenommen wird, einen Bereich auf, in dem sie zusammen mit dem Anker an dem Hubanschlag anliegt. Die Bestromungsdauer wird nun derart gewählt, dass die Bewegung der Ventilnadel bei dem Übergang in den Bereich keinen Überschwinger aufweist. Durch das Nicht-Vorhandensein eines Überschwingers der Ventilnadel kommt es auch zu keinem nachfolgenden Aufprallen der Ventilnadel auf dem Anker. Damit werden auch insoweit störende Geräusche vermieden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Bestromungszeitdauer dadurch ermittelt, dass unterschiedliche Zeitdauern für die Bestromung des Einspritzventils verwendet werden, und dass diejenige Zeitdauer als Bestromungszeitdauer ausgewählt wird, bei der der Anker den Hubanschlag gerade noch nicht erreicht oder ihn mit einer nur geringfügigen Geschwindigkeit erreicht, und bei der das Einspritzventil eine möglichst große Öffnungsdauer aufweist. Diese Ermittlung der Bestromungszeitdauer kann vorab oder auch im Betrieb des Einspritzventils durchgeführt werden. Ebenfalls kann die Ermittlung pro Ventil oder auch pro Ventiltyp vorgenommen werden. Es ist damit auf einfache Weise möglich, die Bestromungszeitdauer zu ermitteln und im Betrieb des Einspritzventils dann zu verwenden.
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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 bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Auslenkungskurve eines Einspritzventils, 2 zeigt ein schematisches Diagramm mehrerer Auslenkungskurven eines Einspritzventils, und 3a, 3b zeigen schematische Diagramme des Stromverlaufs und der Auslenkungskurve bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Einspritzventils.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Einspritzventils beschrieben, wie es in den 4a bis 4c gezeigt ist und eingangs erläutert wurde. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren nicht auf ein derartiges Einspritzventil beschränkt ist, sondern auch bei anderen Ausführungsformen von Einspritzventilen in entsprechender Weise zum Einsatz kommen kann, beispielsweise auch bei einem Einspritzventil, wie es in der 5 gezeigt ist und eingangs erläutert wurde.
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Wie anhand der 4a bis 4c erläutert wurde, führt die Ventilnadel eine Bewegung in ihrer Längsrichtung aus. Ausgangspunkt ist dabei ein in den 4a bis 4c nicht-dargestellter unterer Hubanschlag. Wie anhand der 4c erläutert wurde, liegt die Ventilnadel am Ende der Bewegung auf dem Anker auf, wobei der Anker an dem oberen Hubanschlag anliegt. Bei dem unteren Hubanschlag und dem Aufliegen auf dem Anker handelt es sich somit jeweils um eine Endstellung der Ventilnadel. Für den Anker stellt der obere Hubanschlag eine Endstellung dar.
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Liegt die Ventilnadel an dem unteren Hubanschlag an, so ist das Einspritzventil geschlossen und es kann kein Kraftstoff eingespritzt werden. Befindet sich die Ventilnadel im wesentlichen außerhalb des Bereichs des unteren Hubanschlags, so ist das Einspritzventil geöffnet und es kann Kraftstoff eingespritzt werden.
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Wird der Magnetkreis nicht bestromt, so bewegt sich der Anker zusammen mit der Ventilnadel in Richtung zu dem unteren Hubanschlag und verbleibt dann dort. Wird der Magnetkreis jedoch mit einem Strom beaufschlagt, so bewegt sich der Anker zusammen mit der Ventilnadel in einer Richtung weg von dem unteren Hubanschlag. Wird der Strom über eine Zeitdauer aufrechterhalten, so schlägt der Anker an dem oberen Hubanschlag an. Die Ventilnadel hebt, wie aus der 4b hervorgeht, von dem Anker ab und führt einen Überschwinger aus. Dann fällt die Ventilnadel wieder zurück auf den Anker und kommt dann letztlich dort zur bleibenden Anlage. Wird die Bestromung des Magnetkreises wieder beendet, so bewegt sich der Anker zusammen mit der Ventilnadel, wie bereits erwähnt, wieder in Richtung des unteren Hubanschlags.
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Der zeitliche Ablauf der Bewegung der Ventilnadel ist in der 1 dargestellt. Zu diesem Zweck ist in der 1 die Auslenkung a der Ventilnadel aus der Stellung des unteren Hubanschlags über der Zeit t aufgetragen. Der untere Hubanschlag ist dabei mit dem Bezugszeichen 11 und das Aufliegen der Ventilnadel auf dem Anker ist mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet.
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Ausgehend von dem unteren Hubanschlag 11 bewegt sich die Ventilnadel bei einer Bestromung des Magnetkreises mit einem steilen Anstieg 13 in Richtung von dem unteren Hubanschlag 11 weg. An dem oberen Hubanschlag 12 findet ein Aufschlagen des Ankers statt. Der erläuterte Überschwinger der Ventilnadel, der eine Umkehr der Bewegung der Ventilnadel umfasst, ist in der 1 mit einem Kreis 14 hervorgehoben. Wie erwähnt wurde, fällt die Ventilnadel dann wieder auf den Anker zurück und prallt dort geringfügig ab. Aufgrund der weiterhin vorhandenen Bestromung des Magnetkreises erfolgt eine erneute Umkehr 15 der Bewegung der Ventilnadel und ein nachfolgendes Aufliegen 16 der Ventilnadel auf dem Anker. Wird die Bestromung des Magnetkreises beendet, so bewegt sich die Ventilnadel mit einer Kurve 17 wieder in Richtung zu dem unteren Hubanschlag 11.
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Das Aufschlagen des Ankers an dem oberen Hubanschlag führt zu unerwünschten Geräuschentwicklungen, die auf die nachfolgend beschriebene Art und Weise vermindert oder gar vermieden werden können. Anhand der 2 wird hierzu ein Verfahren beschrieben, mit dem eine Bestromungszeitdauer ti* ermittelt wird, und anhand der 3a, 3b wird dann ein Verfahren beschrieben, bei dem diese Bestromungszeitdauer ti* im Betrieb eines Einspritzventils zum Einsatz kommt.
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In der 2 ist, wie in der 1, die Auslenkung a der Ventilnadel aus der Stellung des unteren Hubanschlags 11 über der Zeit t aufgetragen. In der 2 sind jedoch fünf Kurven aufgetragen, die sich nur durch geringfügig voneinander abweichende Zeitdauern unterscheiden, in denen der Magnetkreis der Ventilnadel bestromt wird. Die unterschiedlichen Zeitdauern sind in der 2 mit den Bezugsziffern ti1, ti2, ti3, ti4, ti5. Zum Zwecke der Vereinfachung werden nachfolgend auch die zugehörigen Kurven mit diesen Bezugszeichen bezeichnet.
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Hinsichtlich der unterschiedlichen Zeitdauern der Bestromung des Magnetkreises gilt folgender Zusammenhang: ti1 < ti2 < ti3 < ti4 < ti5. Die Zeitdauern werden also ausgehend von der Zeitdauer ti1 immer größer.
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Die Kurven ti1, ti2, ti3, die in der 2 mit einem Rechteck, einem Dreieck und einem Kreis gekennzeichnet sind, zeichnen sich dadurch aus, dass die Bewegung des Ankers rein ballistisch ist, dass also kein Aufschlagen des Ankers an dem oberen Hubanschlag erfolgt. Diese ballistische Bewegung des Ankers hat zur Folge, dass die Öffnungsdauer der Ventilnadel, also diejenige Zeitdauer, bis die Ventilnadel wieder den unteren Hubanschlag 11 erreicht, immer größer wird, je größer die Zeitdauer der Bestromung des Magnetkreises ist. So ergibt sich beispielhaft für die Kurve ti1 eine Öffnungsdauer d1 und für die Kurve ti3 eine größere Öffnungsdauer d3.
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Die Kurven ti4, ti5, die in der 2 mit einem Querstrich und einem Kreuz gekennzeichnet sind, zeichnen sich dadurch aus, dass der Anker hier damit beginnt, an dem oberen Hubanschlag aufzuschlagen.
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Bei der Kurve ti4 ist das Aufschlagen des Ankers nur in sehr geringem Umfang vorhanden, so dass die Ventilnadel auch nur in sehr geringem Umfang einen Überschwinger ausführt. Aufgrund des Aufprallens des Ankers auf dem Hubanschlag sowie aufgrund des dem Überschwinger nachfolgenden Zurückfallens der Ventilnadel auf den Anker erreicht die Kurve ti4 den unteren Hubanschlag 11 etwas früher als die Kurve ti1, was gleichbedeutend damit ist, dass die Öffnungsdauer d4 der Kurve ti4 trotz der größeren Zeitdauer ti4 für die Bestromung des Magnetkreises kleiner ist als die Öffnungsdauer d1 bei der Kurve ti1.
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Bei der Kurve ti5 ist das Aufschlagen des Ankers in einem etwas weitergehenden Umfang vorhanden als bei der Kurve ti4. Dies hat zur Folge, dass die Ventilnadel bei der Kurve ti5 einen etwas stärkeren Überschwinger aufweist und damit nach dem Überschwinger auch stärker auf den Anker zurückfällt als bei der Kurve ti4. Dies führt dazu, dass die Kurve ti5 den unteren Hubanschlag 11 etwas früher erreicht als die Kurve ti4, was gleichbedeutend damit ist, dass die Öffnungsdauer d5 der Kurve ti5 trotz der größeren Bestromungszeitdauer ti5 kleiner ist als die Öffnungsdauer d4 bei der Kurve ti4.
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Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass eine weitere Vergrößerung der Zeitdauer ti für die Bestromung des Magnetkreises dazu führen würde, dass die in der 2 gezeigten Kurven zumindest in dem Anstiegs- und Umkehrbereich ihrer Bewegung immer mehr die Gestalt der Kurve der 1 annehmen würden. Bei den Kurven der 2 würde der Anker also immer stärker an dem oberen Hubanschlag aufschlagen und abprallen und die Ventilnadel würde aus einem immer größeren Überschwinger auf den Anker zurückfallen, bis dies mit dem Überschwingen in dem Kreis 14 der 1 vergleichbar wäre.
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Wie aus der 2 hervorgeht, handelt es sich bei der Kurve ti3 um diejenige Kurve, die die größte Öffnungsdauer d3 aufweist. Dies ist, wie erläutert wurde, darin begründet, dass die Kurve ti3 einerseits gerade noch nicht am oberen Hubanschlag abprallt, und dass die Kurve ti3 andererseits von allen Kurven, die nicht am oberen Hubanschlag aufschlagen, diejenige Kurve mit der längsten Zeitdauer ti3 der Bestromung des Magnetkreises ist.
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Bei einem bestimmten Einspritzventil oder bei einem bestimmten Typ eines Einspritzventils kann die vorgenannte Zeitdauer ti3 mit Hilfe von praktischen Versuchen oder sonstigen geeigneten Maßnahme vorab oder gegebenenfalls auch im normalen Betrieb ermittelt werden. Diese Zeitdauer ti3 ist die bereits erwähnte Bestromungszeitdauer ti*.
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Alternativ kann es sich bei der Bestromungszeitdauer ti* auch um eine Zeitdauer handeln, die geringfügig größer ist als die Zeitdauer ti3, so dass der Anker bei dieser etwas größeren Zeitdauer mit einer geringfügigen Geschwindigkeit an dem oberen Hubanschlag zur Anlage kommt, wobei diese geringfügige Geschwindigkeit jedoch praktisch noch keinen Überschwinger der Ventilnadel zur Folge hat.
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Bei der Bestromungszeitdauer ti* handelt es sich somit um diejenige Zeitdauer, bei der der Anker den oberen Hubanschlag gerade noch nicht erreicht oder mit einer nur geringfügigen Geschwindigkeit erreicht, die im wesentlichen noch keinen Überschwinger der Ventilnadel zur Folge hat.
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Die 3a, 3b beziehen sich auf den normalen Betrieb eines Einspritzventils, dessen Bestromungszeitdauer ti* beispielsweise anhand der Erläuterungen zur 2 ermittelt worden ist und deshalb nachfolgend als bekannt vorausgesetzt wird. In der 3a ist der Strom i über der Zeit t aufgetragen, mit dem der Magnetkreis bestromt wird. In der 3b ist, wie in den 1 und 2, die Auslenkung a der Ventilnadel aus der Stellung des unteren Hubanschlags 11 über der Zeit t aufgetragen.
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Gemäß der 3a wird der Magnetkreis des Einspritzventils mit dem Strom i beaufschlagt, wobei sich der Stromverlauf aus zwei Teilen 21, 22 zusammensetzt.
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Der erste Teil 21 des Stromverlaufs weist einen Stromanstieg 24 und einen Stromabfall 25 auf. Der Stromanstieg 24 ist derart gewählt, dass eine möglichst schnelle Bewegung des Ankers in Richtung zu dem oberen Hubanschlag entsteht. Insoweit kann der Stromanstieg 24 dem Stromverlauf bekannter Einspritzventile entsprechen. Der Stromabfall 25 ist jedoch derart gewählt, dass der gesamte erste Teil 21 aus zeitlicher Sicht die erläuterte Bestromungszeitdauer ti* aufweist. Der Beginn und/oder die Steilheit des Stromabfalls 25 wird also derart gewählt, dass die zeitliche Länge des ersten Teils 21 des Stromverlaufs der 3a der genannten Bestromungszeitdauer ti* entspricht.
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Dieser erste Teil 21 des Stromverlaufs der 3a führt zu einem Auslenken der Ventilnadel, wie dies in der 3b dargestellt ist. Die Ventilnadel bewegt sich also ausgehend von dem unteren Hubanschlag 11 zusammen mit dem Anker in Richtung zu dem oberen Hubanschlag. Diese Bewegung setzt sich aus einem Anstieg 27 und einem Übergang 28 zusammen. Die auf die Bestromungszeitdauer ti* eingestellte Bestromung des Magnetkreises hat dabei zur Folge, dass der Übergang 28 keinen Überschwinger oder Bewegungsumkehr oder dergleichen aufweist. Statt dessen wird mit dem Übergang 28 ein gleitender Übergang von dem Anstieg 27 in einen Bereich 29 erreicht, in dem die Ventilnadel zusammen mit dem Anker an dem oberen Hubanschlag anliegt.
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Dieser gleitende Übergang ist eine Folge der Bestromungszeitdauer ti* und resultiert aus dem Umstand, dass, wie anhand der 2 erläutert wurde, bei der Bestromungszeitdauer ti* der Anker dem oberen Hubanschlag möglichst nahe kommt, aber gerade noch nicht an dem oberen Hubanschlag zur Anlage kommt und damit dort auch nicht abprallen kann, oder dass der Anker mit einer nur geringfügigen Geschwindigkeit an dem oberen Hubanschlag zur Anlage kommt und es damit ebenfalls praktisch zu keinem Abprallen kommt.
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Damit wird ein Aufschlagen des Ankers an dem oberen Hubanschlag und damit ein Überschwingen der Ventilnadel vermieden oder zumindest weitgehend vermindert. Entsprechendes gilt damit auch für die durch das Aufschlagen entstehenden Geräusche.
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Würde die Zeitdauer der Bestromung des Magnetkreises nicht entsprechend der Bestromungszeitdauer ti*, sondern insbesondere größer gewählt werden, so würde, wie dies anhand der 2 erläutert wurde, der Anker an dem oberen Hubanschlag abprallen und die Ventilnadel würde überschwingen und danach auf den Anker zurückfallen. Dies ist in der 3b gestrichelt als Überschwinger 31 dargestellt. Dieser Überschwinger 31 wird, wie erwähnt, aufgrund der Verwendung der Bestromungszeitdauer ti* vermieden.
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Der zweite Teil 22 des Stromverlaufs der 3a dient dazu, den Anker und damit die Ventilnadel in derjenigen Stellung zu halten, in der sie an dem oberen Hubanschlag zur Anlage gekommen sind. Mit Hilfe des zweiten Teils 22 des Stromverlaufs wird also der Bereich 29 der 3b über einen bestimmten Zeitraum aufrecht erhalten. Der bestimmte Zeitraum hängt dabei von derjenigen Kraftstoffmasse oder Kraftstoffmenge ab, die insgesamt über das Einspritzventil eingespritzt werden soll. Je mehr Kraftstoff eingespritzt werden soll, desto länger muss der vorgenannte bestimmte Zeitraum und damit auch die Zeitdauer des zweiten Teils 22 des Stromverlaufs der 3a gewählt werden. Insoweit kann der zweite Teil 22 des Stromverlaufs der 3a dem Stromverlauf bekannter Einspritzventile entsprechen.
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Sobald der zweite Teil 22 des Stromverlaufs der 3a beendet ist, bewegt sich die Ventilnadel wieder in Richtung zu dem unteren Hubanschlag. Dies ist in der 3b mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet. Erreicht die Ventilnadel den unteren Hubanschlag, dann ist das Einspritzventil geschlossen und die Einspritzung ist beendet.
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Der Betrieb des Einspritzventils kann mit Hilfe eines Computerprogramms realisiert sein, das auf einem digitalen Rechengerät ablaufen und dann das anhand der 3a, 3b beschriebene Verfahren ausführen kann. Vorzugsweise kann das Rechengerät ein Bestandteil eines elektronischen Steuergeräts insbesondere eines Kraftfahrzeugs sein.
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Bei dem Einspritzventil der 5 sind der Anker und die Ventilnadel einstückig ausgebildet. Damit ist eine von dem Anker unabhängige Bewegung der Ventilnadel nicht möglich. Dies hat zur Folge, dass auch ein Überschwingen der Ventilnadel bei einem Aufprallen des Ankers an dem oberen Hubanschlag nicht auftreten kann.
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Trotz dieses Unterschieds ist es mit dem vorstehend erläuterten Verfahren in gleicher Weise möglich, bei dem Einspritzventil der 5 die Ventilnadel zusammen mit dem integrierten Anker gemäß den Erläuterungen zu den 3a, 3b anzusteuern, so dass ein gleitender Übergang 28 in denjenigen Bereich 29 erreicht wird, in dem der Anker zusammen mit der Ventilnadel an dem oberen Hubanschlag anliegt. Ebenfalls ist es bei dem Einspritzventil der 5 in entsprechender Weise möglich, die hierfür erforderliche Bestromungszeitdauer ti* gemäß den Erläuterungen zu der 2 zu ermitteln.
