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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Kraftstoffbehälter, ein Kraftstoffsystem und ein Verfahren nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Vom Markt her bekannt sind Kraftstoffsysteme für Brennkraftmaschinen, bei welchen Kraftstoff mittels einer Kraftstoffpumpe aus einem Kraftstoffbehälter angesaugt und beispielsweise in einen Hochdruckspeicher ("Rail") unter Druck gefördert wird. Der Hochdruckspeicher ist mit Einspritzventilen der Brennkraftmaschine verbunden, welche individuell ansteuerbar sind und Kraftstoff in einer jeweils gewünschten Menge in einen Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen können. Bekannt sind ferner sogenannte Pumpe-Düse oder Pumpe-Leitung-Düse-Anordnungen, bei denen eine Kraftstoffpumpe den Kraftstoff direkt einem druckgesteuerten Einspritzventil zufördert. Bekannt sind auch Einspritzsysteme mit Verteiler-Einspritzpumpen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kraftstoff-Einspritzpumpe nach Anspruch 1, sowie durch einen Kraftstoffbehälter, ein Kraftstoffsystem und ein Verfahren nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine Kraftstoff-Einspritzpumpe besonders leistungsfähig und dabei vergleichsweise einfach, leicht und kostengünstig ausgeführt werden kann. Auf diese Weise kann die Kraftstoff-Einspritzpumpe auch auf die Erfordernisse kleinerer Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kleinkrafträder, optimiert werden. Beispielsweise kann die Kraftstoff-Einspritzpumpe auch bei vergleichsweise hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine benötigte Kraftstoffmenge zu einem Einspritzventil fördern, welches den Kraftstoff in einen Brennraum einspritzt. Weil ein hoher Arbeitsdruck der Kraftstoff-Einspritzpumpe mittels Magnetkraft und unter Ausnutzung eines hydraulischen Übersetzungsverhältnisses erzeugt wird, kann mittels dem Einspritzventil ein besonders feiner und gut verteilter Sprühnebel des Kraftstoffs in dem Brennraum ermöglicht werden. Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzpumpe kann besonders kompakt bauen und weist beispielsweise in etwa das Bauvolumen eines vorbekannten Vergasers auf.
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einer Zylinderanordnung mit einem axial bewegbaren Kolben und einem Anschluss für ein insbesondere druckgesteuertes Einspritzventil. Erfindungsgemäß umfasst die Kraftstoff-Einspritzpumpe eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung, mittels der der Kolben in eine erste axiale Richtung und in eine dazu entgegengesetzte zweite axiale Richtung bewegt werden kann. Dadurch können beide axialen Bewegungsrichtungen des Kolbens aktiv für den Betrieb der Kraftstoff-Einspritzpumpe ausgenutzt werden.
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In Abhängigkeit von einer Ausgestaltung der Kraftstoff-Einspritzpumpe und einem diese umfassenden Kraftstoffsystem, sowie in Abhängigkeit von einem Verfahren zum Betreiben der Kraftstoff-Einspritzpumpe kann die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzpumpe zum einen dazu verwendet werden, um einen Kraftstoffdruck stromaufwärts von Einspritzventilen aufzubauen, um die Einspritzventile zu betreiben. Beispielsweise kann die Kraftstoff-Einspritzpumpe Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher fördern, aus welchem die Einspritzventile eine jeweils benötigte Kraftstoffmenge entnehmen können. Zum andern kann die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzpumpe jedoch den Kraftstoff auch mittelbar oder unmittelbar einem Einspritzventil zum dosierten Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume der Brennkraftmaschine zuführen. Diese Möglichkeiten werden weiter unten noch näher erläutert werden.
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In einer Ausgestaltung der Kraftstoff-Einspritzpumpe wirkt ein erster axialer Endabschnitt des Kolbens mit einem ersten Arbeitsraum der Zylinderanordnung und ein zweiter axialer Endabschnitt des Kolbens mit einem zweiten Arbeitsraum der Zylinderanordnung zusammen. Dadurch wird auf einfache Weise eine so genannte "Doppelhubpumpe" realisiert, welche vorzugsweise bezüglich des ersten und des zweiten Arbeitsraums symmetrisch ausgeführt ist. Ein Vorteil der Doppelhubpumpe ist es, dass bei jeder Bewegung, also sowohl in der ersten als auch in der zweiten axialen Richtung, gleichzeitig Kraftstoff angesaugt und gefördert werden kann, wodurch die Kraftstoff-Einspritzpumpe besonders trotz der kleinen Abmessungen besonders effizient arbeiten kann.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die elektromagnetische Betätigungseinrichtung einen mit dem Kolben gekoppelten Anker und mindestens eine erste und eine zweite Spule aufweist, wobei der Anker mittels der ersten Spule in die erste axiale Richtung und mittels der zweiten Spule in die zweite axiale Richtung bewegt werden kann. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Spule ("Magnetspule") gleichartig ausgeführt und in Bezug auf den Anker und den Kolben auch gleichartig angeordnet, so dass die Doppelhubpumpe komplett symmetrisch ausgeführt ist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzpumpe besonders vielseitig eingesetzt werden. Dabei weist sie nur wenige Teile auf, was sowohl die Herstellung als auch den Betrieb vereinfacht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Gehäuse und/oder Rückschlagventile der Kraftstoff-Einspritzpumpe jeweils aus einem Kunststoff hergestellt sind. Dadurch kann die Herstellung der Kraftstoff-Einspritzpumpe verbilligt werden, wobei Gewicht und Kosten gespart werden können.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kraftstoffbehälter für ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, wobei erfindungsgemäß in den Kraftstoffbehälter eine Kraftstoff-Einspritzpumpe nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen integriert ist. Dadurch können Bauraum gespart und Kosten gesenkt werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftstoffsystem für eine Brennkraftmaschine, wobei erfindungsgemäß das Kraftstoffsystem eine Kraftstoff-Einspritzpumpe nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen umfasst. Dabei sind der erste Arbeitsraum mit einem ersten Einspritzventil und der zweite Arbeitsraum mit einem zweiten Einspritzventil hydraulisch verbunden. Auf diese Weise kann ein Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern, wie sie bei Kleinkrafträdern relativ häufig vorkommt, besonders einfach, effizient und kostengünstig ausgeführt werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Kraftstoff-Einspritzpumpe, wie sie oben in mehreren Ausgestaltung bereits beschrieben wurde. Erfindungsgemäß werden eine Stärke und/oder eine Dauer eines Ansteuerimpulses für die elektromagnetische Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit von einer gewünschten Einspritzmenge vorgegeben. Dies ist möglich, weil die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzpumpe sozusagen einen "Linearantrieb" umfasst, und somit keinen zwingend vorgegebenen Zyklus wie bei einer rotierend angetriebenen Kraftstoff-Einspritzpumpe aufweist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzpumpe besonders vielseitig eingesetzt und betrieben werden. Insbesondere im Zusammenspielt mit einem druckgesteuerten Einspritzventil kann so eine einfache Leistungssteuerung der Brennkraftmaschine realisiert werden.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzpumpe und zwei Einspritzventilen;
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2 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffbehälters mit der Kraftstoff-Einspritzpumpe von 1; und
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3 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Kraftstoff-Einspritzpumpe und des Kraftstoffsystems.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Kraftstoffsystem 10 für eine (nicht gezeigte) zweizylindrige Brennkraftmaschine eines Kleinkraftrads, beispielsweise mit einem Hubraum von 50 ccm bis 125 ccm. Ein gestrichelter Rahmen in der Mitte der Zeichnung umfasst eine Kraftstoff-Einspritzpumpe 12, welche als "Doppelhubpumpe" ausgeführt ist. Die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 ist vorliegend symmetrisch zu einer in der Zeichnung nicht dargestellten vertikalen Achse ausgeführt und ist mittels Kraftstoffleitungen 14 und 16 an jeweils ein erstes und zweites druckgesteuertes und nach außen öffnendes Einspritzventil 18 und 20 angeschlossen. Das zweite Einspritzventil 20 wird nur bei einer zweizylindrigen Brennkraftmaschine benötigt und ist daher optional.
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Die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 weist eine Zylinderanordnung mit zwei Zylindern 22 und 24 auf und einen darin axial bewegbaren Kolben 26 (Doppelkolben). Eine Bewegungsrichtung des Kolbens 26 ist in der 1 also horizontal. Ein erster axialer Endabschnitt des Kolbens 26 (in der Zeichnung links) wirkt mit einem in dem Zylinder 22 gebildeten ersten Arbeitsraum 22a und ein zweiter axialer Endabschnitt des Kolbens 26 (in der Zeichnung rechts) wirkt mit einem in dem Zylinder 24 gebildeten zweiten Arbeitsraum 24a zusammen. Weiterhin umfasst die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 28 mit zwei Magnetspulen 30 und 32 ("Spulen"), zwischen denen ein Anker 34 angeordnet ist, welcher mit dem Kolben 26 – vorzugsweise starr – gekoppelt ist. Der Anker 34 und mit ihm der Kolben 26 kann daher mittels der Magnetspule 30 in eine erste axiale Richtung und mittels der Magnetspule 32 in eine dazu entgegengesetzte zweite axiale Richtung bewegt werden.
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Der erste Arbeitsraum 22a ist mit einem ersten Einlassventil 36 und einem ersten Auslassventil 38 hydraulisch verbunden. Das erste Einlassventil 36 kann hin zu dem ersten Arbeitsraum 22a öffnen und ist durch eine Kraftstoffleitung 37 an einen Tank 44 angeschlossen. Das erste Auslassventil 38 kann in einer Stromrichtung weg von dem ersten Arbeitsraum 22a öffnen und ist an die Kraftstoffleitung 14 angeschlossen.
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Der zweite Arbeitsraum 24a ist mit einem zweiten Einlassventil 40 und einem zweiten Auslassventil 42 hydraulisch verbunden. Das zweite Einlassventil 40 kann hin zu dem zweiten Arbeitsraum 24a öffnen und ist durch eine Kraftstoffleitung 41 an den Tank 44 angeschlossen. Das zweite Auslassventil 42 kann in einer Stromrichtung weg von dem zweiten Arbeitsraum 24a öffnen und ist an die Kraftstoffleitung 16 angeschlossen.
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Die Einlassventile 36 und 40 sowie die Auslassventile 38 und 42 sind vorliegend als federbelastete Rückschlagventile und aus Kunststoff ausgeführt. Die Magnetspulen 30 und 32 sind mittels elektrischer Leitungen 31 und 33 an eine Ansteuerschaltung 46 angeschlossen. Die Ansteuerschaltung 46 ist dazu ausgebildet, zu einer jeweiligen (beispielsweise durch eine Abgasanforderung vorgegebenen) Zeit und für eine jeweilige (beispielsweise durch eine Leistungsanforderung des Benutzers der Brennkraftmaschine vorgegebene) Zeitdauer die erste Magnetspule 30 anzusteuern oder die zweite Magnetspule 32 anzusteuern oder keine der Magnetspulen 30 und 32 anzusteuern. Die Ansteuerschaltung 46 wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48, welche in der Zeichnung oberhalb der Ansteuerschaltung 46 dargestellt ist, gesteuert.
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In einem in der 1 unteren Abschnitt ist an einer Kraftstoffleitung (ohne Bezugszeichen) zwischen den Einspritzventilen 18 und 20 ein Zeichensymbol 50 gezeichnet. Je nach einer Ausführungsform des Kraftstoffsystems 10 kann das Zeichensymbol 50 bedeuten:
Fall (a) Es ist nur ein Einspritzventil 18 vorhanden, welches sowohl mit der Kraftstoffleitung 14 als auch mit der Kraftstoffleitung 16 verbunden ist.
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Fall (b) Es sind die Einspritzventile 18 und 20 vorhanden, zwischen denen keine unmittelbare hydraulische Verbindung besteht. Das Einspritzventil 28 ist also an die Kraftstoffleitung 14 und das Einspritzventil 20 an die Kraftstoffleitung 16 angeschlossen.
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Im Fall (a) ist es möglich, dass sowohl bei einer Hin- als auch bei einer Herbewegung des Kolbens 26 die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 Kraftstoff in die Kraftstoffleitungen 14 und 16 fördert und somit das druckgesteuerte Einspritzventil 18 bei jeder Hin- und Herbewegung öffnen und Kraftstoff einspritzen kann. Stromlos, bei einer Nicht-Betätigung der Kraftstoff-Einspritzpumpe 12, ist das Einspritzventil 18 geschlossen. Hierdurch sind sehr hohe Drehzahlen bei einer Einzylinder-Brennkraftmaschine realisierbar.
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Im Fall (b) ist es möglich, eine Einspritzung von Kraftstoff in zwei Brennräume der Brennkraftmaschine durchzuführen. Dabei erfolgt – wie oben im Fall (a) übrigens auch – eine Ansteuerung der Magnetspulen 30 und 32 synchron zu einer Drehbewegung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, die Auslassventile 38 und 42 wegzulassen, da deren Funktion von den Einspritzventilen 18 und 20 übernommen werden kann. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es denkbar, an Stelle der Einspritzventile 18 und 20 Zerstäuberdüsen zu verwenden, da die Einspritzventile 18 und 20 hydraulisch in gleicher Richtung wie die Auslassventile 38 und 42 wirken und somit gegebenenfalls entbehrlich sind.
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In einem Betrieb des Kraftstoffsystems 10 entsprechend dem Fall (b) wird eine Einspritzung von Kraftstoff mittels des ersten Einspritzventils 18 beispielsweise wie folgt durchgeführt:
- – In einem ersten Schritt ist der Kolben 26 im Wesentlichen in einer in der Zeichnung rechten Position lokalisiert und beide Magnetspulen 30 und 32 sind unbestromt. Die Einlassventile 36 und 40 und die Auslassventile 38 und 42 sind geschlossen.
- – In einem zweiten Schritt wird die Magnetspule 30 bestromt und der Anker 34 und der Kolben 26 werden in der Zeichnung mittels Magnetkraft nach links beschleunigt. Dadurch wird ein Volumen des ersten Arbeitsraums 22a verkleinert und ein Volumen des zweiten Arbeitsraums 24a wird vergrößert. Das erste Auslassventil 38 und das zweite Einlassventil 40 öffnen als Folge der sich jeweils ergebenden lokalen Änderung des Kraftstoffdrucks.
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Aufgrund der Drucksteuerung der Einspritzventile 18 und 20 öffnet dadurch das erste Einspritzventil 18, wodurch Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Eine in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge ist im Wesentlichen durch einen von dem Kolben 26 zurückgelegten axialen Weg charakterisiert. Sofern die Einspritzventile 18 und 20 elektromagnetisch betätigbar ausgeführt sind, wird im Wesentlichen zeitgleich zum Öffnen des ersten Auslassventils 38 das erste Einspritzventil 18 von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 angesteuert und somit vorrübergehend geöffnet.
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Durch das geöffnete zweite Einlassventil 40 wird Kraftstoff über die Kraftstoffleitung 41 aus dem Tank 44 in den zweiten Arbeitsraum 24a angesaugt. Somit ermöglicht die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 gleichzeitig ein Fördern von Kraftstoff aus dem ersten Arbeitsraum 22a und ein Ansaugen von Kraftstoff in den zweiten Arbeitsraum 24a.
- – In einem dritten Schritt und in Abhängigkeit von der gewünschten Einspritzmenge des Kraftstoffs beendet die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 die Ansteuerung der ersten Magnetspule 30. Der Anker 34 und der Kolben 26 kommen schlagartig in einer in der Zeichnung linken Position zum Stillstand und das erste Auslassventil 38 und das zweite Einlassventil 40 können schließen. Vorzugsweise entspricht die besagte "linke Position" nicht einem linken Endanschlag des Ankers 34 bzw. des Kolbens 26, so dass die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 noch Reserven aufweist für eine gegebenenfalls größere einzuspritzende Kraftstoffmenge.
- – Ein nachfolgender vierter Schritt entspricht dem oben beschriebenen ersten Schritt, wobei der Betrieb des Kraftstoffsystems 10 bzw. der Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 zu einer in der Mitte der Zeichnung vertikalen Achse (nicht dargestellt) gespiegelt zu dem ersten Schritt erfolgt. Danach wird die oben beschriebene Prozedur fortlaufend wiederholt.
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2 zeigt einen Kraftstoffbehälter 52 für das Kraftstoffsystem 10, wobei in den Kraftstoffbehälter 52 die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 von 1 integriert ist. Man erkennt, dass die gezeigte Anordnung besonders wenig Bauraum erfordert und zudem die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 mechanisch geschützt angeordnet ist. Ein Gehäuse 53 der Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 sowie die Einlassventile 36 und 40 und die Auslassventile 38 und 42 (siehe 1) sind vorliegend aus einem Kunststoff hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 sind die Einlassventile 36 und 40 und die Auslassventile 38 und 42 in dem Gehäuse 53 integriert angeordnet. Eine gestrichelte Umrandung in 2 symbolisiert den Tank 44, welcher vorzugsweise ganz oder zu großen Teilen mit einem Gehäuse (ohne Bezugszeichen) des Kraftstoffbehälters 52 identisch ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Kraftstoff-Einspritzpumpe 12 ähnlich zu dem Schema von 1 getrennt von dem Kraftstoffbehälter 52 bzw. dem Tank 44 angeordnet.
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3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Kraftstoff-Einspritzpumpe 12. Vorzugsweise wird das Verfahren mittels eines Computerprogramms in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 48 durchgeführt. Ausgehend von einem Startblock 54 wird in einem folgenden Block 56 eine jeweils einzuspritzende Kraftstoffmenge für einen jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine ermittelt. Dies erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von einer Stellung eines Gasreglers bzw. Gaspedals des Kleinkraftrads und von einer aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine.
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In einem folgenden Block 58 werden eine aktuelle Position und eine Bewegungsrichtung des Kolbens 26 und/oder ein Winkel der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ermittelt. Daraus wird eine Stärke und/oder eine Dauer eines Ansteuerimpulses für die Magnetspule 30 bzw. 32 in Abhängigkeit von der gewünschten einzuspritzenden Kraftstoffmenge ermittelt und die Ansteuerschaltung 46 entsprechend betätigt. Die beschriebene Prozedur wird zyklisch wiederholt. Dies ist in der 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
