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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Verbrauchers, bspw. eines Mengensteuerventils in einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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In Brennkraftmaschinen wird die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Energie gewandelt. Der Kraftstoff oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch wird hierzu in Brennräume, die Zylinder, der Brennkraftmaschine eingebracht bzw. eingespritzt. Hierzu werden Einspritzanlagen verwendet. Ein Common-Rail-Einspritzsystem ist eine Art einer solchen Einspritzanlage. Dieses umfasst einen Niederdruckbereich und einen Hochdruckbereich mit einem Hochdruckspeicher, dem Rail, und zeichnet sich durch eine Trennung von Druckerzeugung und dem eigentlichen Einspritzvorgang aus.
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Bei modernen direkteinspritzenden Ottomotor-Systemen mit bedarfsgeregelter Kraftstoffförderung wird eine Hochdruckpumpe zur Erzeugung des notwendigen Kraftstoffdrucks eingesetzt. Die Hochdruckpumpe wird dabei typischerweise mengengeregelt betrieben. Hierzu kann die Fördermenge der Pumpe über ein Mengensteuerventil von 0 % bis 100 % gestellt werden.
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Der Ansteuerung dieses Mengensteuerventils kommt nun besondere Bedeutung zu, da der Schaltvorgang des Mengensteuerventils aufgrund der hohen Drehzahl und der damit verbundenen hohen Ansteuerfrequenz in sehr kurzer Zeit und trotz hoher Federkräfte stattfinden muss, ohne dass die Hub-zu-Hub-Schwankungen und damit die Fördermengenschwankungen zu groß werden, was zu einer mangelnden Raildruckqualität führen würde. Weiterhin ist zu beachten, dass bei geringen Motordrehzahlen sehr hohe Anforderungen an die Geräuschentwicklung der Hochdruckpumpe gestellt werden. Aus diesem Grund wurden bereits zahlreiche Ansteuerkonzepte, insbesondere Software-Maßnahmen, zur Verringerung der Anschlagdynamik und damit zur Verringerung des akustischen Niveaus entwickelt.
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Aus der Druckschrift
DE 43 41 797 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers bekannt. Der elektromagnetische Verbraucher ist dabei insbesondere ein Magnetventil zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass der Verbraucher in Reihe mit einem Schaltmittel geschaltet ist, das mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird. Es wird zur Ermittlung eines Schaltzeitpunkts des Verbrauchers eine das Ansteuersignal charakterisierende Größe ausgewertet.
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Es ist bekannt, das Mengensteuerventil stromgeregelt anzusteuern. Hierbei ist zu beachten, dass sich aufgrund der Toleranzen des Mengensteuerventils exemplarabhängige Anschlagszeitpunkte des Mengensteuerventil-Ankers am Polkern und somit exemplarabhängige Anzugs-/Verzugszeiten ergeben. Die Anzugs-/Verzugszeit ist spannungs-, drehzahl- und förderwinkelabhängig. Exemplarabhängige Anzugs-/Verzugszeiten führen zu abweichenden Förderkennlinien, die eine problematische Vorsteuerung der Raildruckregelung mit sich bringen können.
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Weiterhin können dynamische Solldruck- oder Laständerungen nicht ausreichend ausgeregelt werden. Das Führungsverhalten ist unzureichend aufgrund schlechter Vorsteuerung. Die Bedatung der Anzugs-/Verzugszeit muss für ein worst case Muster ausgelegt sein. Eine damit unnötig lange Bestromung des Mengensteuerventils führt zu einem hohen Stromverbrauch und zu einer hohen Verlustleistung.
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Daraus folgt, dass eine stromgeregelte Ansteuerung des Mengensteuerventils zwar robust, jedoch nicht an unterschiedliche Exemplare des Magnetventils angepasst ist. Dies führt zu einer zumindest leicht verminderten Raildruckqualität im Serieneinsatz.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das Verfahren ist dafür vorgesehen, einen elektromagnetischen Verbraucher anzusteuern. Zur Ansteuerung des Verbrauchers wird dabei eine Endstufe verwendet, die die letzte Stufe eines Leistungsverstärkers darstellt. Es wird nunmehr eine Messung des Stroms vor dieser Endstufe vorgenommen, wobei typischerweise ein zeitlicher Verlauf dieses Stroms aufgenommen wird. Der Strom bzw. der Stromverlauf wird anschließend ausgewertet, um eine Anzugszeit des elektromagnetischen Verbrauchers zu bestimmen. Der bestimmte Wert für diese Anzugszeit kann anschließend einer Plausibilisierung unterzogen werden. Auf Grundlage der ermittelten Anzugszeit kann dann die Ansteuerung derart vorgenommen werden, dass eine Bestromung während einer Anzugsphase bis zum Anschlagzeitpunkt stattfindet, die nicht zu lang oder zu kurz ist.
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Typischerweise werden für mehrere Betriebspunkte Anzugszeiten ermittelt, die, sofern sie plausibel sind, in einen Speicher abgelegt werden. Anhand dessen können auch Korrektur-Anzugszeiten ermittelt werden, mit denen die Bestromung genau für die notwendige Zeit bis zum Bewegungsende des Magnetventils – dies wird auch als Verzugszeit bezeichnet – eingestellt werden kann. Zudem kann bei Kenntnis der genauen exemplarabhängigen Verzugszeit diese exakt vorgesteuert werden.
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Zur Auswertung des Stroms bzw. dessen Verlaufs wird das diesen repräsentierende Messsignal bspw. gefiltert und/oder abgetastet. Zur Filterung kann ein analoger oder digitaler Tiefpassfilter verwendet werden.
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In Ausgestaltung dient das Verfahren dazu, ein Mengensteuerventil, wie dies eingangs beschrieben ist, anzusteuern. Bei dieser Ausführung kann die Anzugs-/Verzugszeit jedes Exemplars durch das Motorsteuergerät erkannt werden. Auf diese Weise kann die Ansteuerung auf ein Exemplar angepasst werden. Eine Toleranz der Förderkennlinie kann dadurch reduziert werden. Auf diese Weise kann eine erhöhte Raildruckqualität erreicht werden.
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Zu beachten ist, dass die Toleranzen der heutigen und künftigen Mengensteuerventil-Generationen eine immer höhere Exemplartoleranz, bspw. auch in der Anzugs-/Verzugszeit, aufweisen. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht es, diese Toleranzen zu erfassen und über eine geeignete Ansteuerung auszugleichen, was deutliche Vorteile in der Raildruckqualität bringen kann.
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Weiterhin kann die Akustikansteuerung mit einem stromgeregelten RECUR-Verfahren durch eine Adaption robuster gemacht werden. Auch hier hilft die Erkennung der Anzugszeit für eine optimierte Ansteuerung und für eine bessere Raildruckqualität.
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Bei dem RECUR-Verfahren wird der Strom während der Anzugsphase des Magnetventils derart abgesenkt, dass die dadurch abgesenkte Magnetkraft eine langsame Bewegung des Magnetankers bewirkt. Dadurch kann die Anschlagsgeschwindigkeit des Ankers auf den Polkern bzw. auf einen Anschlag verringert werden, was eine geringere Geräuschentwicklung zur Folge hat. Die RECUR-Ansteuerung kann dabei noch durch eine Adaption verbessert werden, indem das Stromprofil sukzessiv abgesenkt wird bis zu dem Punkt, an dem das Magnetventil nicht mehr schaltet und dadurch die Hochdruckpumpe keinen Kraftstoff mehr fördern kann. Dies wird durch das Motorsteuergerät über den Raildrucksensor erkannt.
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Daraufhin wird das Ansteuersignal wieder um einen Sicherheitsbetrag angehoben, um wieder ein sicheres Schließen zu gewährleisten. Durch diesen Adaptionsansatz wird aber ein optimales, geringes Stromprofil verwendet, das nur ein sehr geringes Geräusch verursacht. Wenn die erfindungsgemäße Detektion der Anzugszeit/Verzugszeit eingesetzt wird, kann die Adaption eventuell auch mit dieser Größe erfolgen, ohne erst auf einen Druckabfall im Rail zu warten.
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Ein zeitoptimales Anziehen der Mengensteuerventil-Nadel verhindert eine längere Bestromung des Mengensteuerventils. Ein geringerer Stromverbrauch und eine geringere Verlustleistung sind die Folge. Durch eine Erkennung der Anzugszeit durch das Motorsteuergerät können Alterungseffekte des Mengensteuerventils kompensiert 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 in einem Graphen ein Stromprofil bei einer stromgeregelten Ansteuerung eines Mengensteuerventils.
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2 zeigt Förderkennlinien zur Verdeutlichung der Exemplarstreuung.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Strommessung vor einer Endstufe.
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4 zeigt die Signalaufbereitung und Signalauswertung des vor der Endstufe gemessenen Stroms mit analogem Tiefpassfilter.
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5 zeigt die Signalaufbereitung und Signalauswertung des vor der Endstufe gemessenen Stroms mit digitalem Tiefpassfilter.
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6 zeigt in einem Ablaufdiagramm die Korrektur der Anzugszeit auf die ermittelte Anzugszeit.
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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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1 zeigt ein Stromprofil bei einer stromgeregelten Ansteuerung. Dabei ist an einer Abszisse 10 die Zeit t [ms] und an einer Ordinate 12 die Stromstärke I [A] aufgetragen. Eine Kurve 14 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stroms, welcher in eine erste Stromphase, die Anzugsphase (Doppelpfeil 16), und eine zweite Stromphase, die Haltephase (Doppelpfeil 18), unterteilt ist. Dem schließt sich eine Löschungsphase (Doppelpfeil 20) an. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Anzugsstrom (Doppelpfeil 22) und einen Haltestrom (Doppelpfeil 24). Außerdem ist ein Schließzeitpunkt 26 kenntlich gemacht.
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In 2 ist eine Förderkennlinie und deren durch die Anzugszeittoleranz verursachte Fördermengentoleranz dargestellt. An eine Abszisse 30 ist dabei der Förderwinkel [°NW] vor dem oberen Totpunkt (OT) und an einer Ordinate 32 die Fördermenge [l/h] aufgetragen. Dabei zeigt ein erster Verlauf 34 die Förderkennlinie eines worst case Musters, ein zweiter Verlauf 36 die Förderkennlinie eines Nominalmusters und ein dritter Verlauf 38 die Förderkennlinie eines best case Musters.
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Ein Doppelpfeil 44 verdeutlicht die Toleranz bedingt durch unterschiedliche Muster.
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Zu erkennen ist, dass das Anzugsverhalten sich stark über der Drehzahl und dem Förderwinkel ändert. Dabei werden die Toleranzen noch verstärkt. Eine Erkennung ist dann besonders hilfreich.
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Das vorgestellte Verfahren ermöglicht zudem eine genaue Adaption und Erkennung der Verzugszeit mit stromgeregeltem RECUR (reduced current).
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Mit Kenntnis der Anzugs-/Verzugszeit kann auch die RECUR Ansteuerung verbessert werden, da hier die Abweichungen/Toleranz der Verzugszeit besonders groß sind. Damit ist eine bessere Raildruckqualität im Leerlauf und leerlaufnahem Drehzahlbereich möglich.
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3 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Darstellung zeigt dabei eine Versorgungsspannung 50, eine Endstufe 52, in diesem Fall mit einem integrierten Endstufenbaustein (ASIC: application specific integrated circuit), sowie ein Mengensteuerventil 54. Weiterhin sind eine erste Strommessung 56 vor der Endstufe 52 und eine zweite Strommessung 58 hinter der Endstufe wiedergegeben.
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Ein erster Verlauf 60 zeigt den Verlauf des Stroms, der sich bei der ersten Strommessung 56 ergibt, ein zweiter Verlauf 62 den Stromverlauf bei der zweiten Strommessung 58.
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Durch eine Strommessung 56 vor der Endstufe 52 können charakteristische Stromverläufe registriert werden. Mittels Signalverarbeitung können diese Stromverläufe informationstechnisch aufbereitet und ausgewertet werden. Hierfür bieten sich prinzipiell folgende Verfahren zur Erkennung des Anschlagszeitpunktes des Mengensteuerventil-Ankers am Polkern an.
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Ein erstes Verfahren sieht eine Bestimmung der Anzugszeit mit einem analogen Tiefpassfilter vor. Ein zweites Verfahren führt die Bestimmung der Anzugszeit mit einem digitalen Tiefpassfilter durch. Diese Verfahren werden anhand der folgenden beiden Figuren näher erläutert.
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4 zeigt die Signalaufbereitung und Signalauswertung des vor der Endstufe gemessenen Stroms zur Bestimmung der Anzugszeit mit einem analogen Tiefpassfilter, wobei der zeitliche Verlauf des gemessenen Stroms durch die Kurve 60 repräsentiert ist und ein Messsignal 80 darstellt. Der gemessene Strom wird mit einem analogen Tiefpassfilter 82, das bspw. durch ein RC-Glied 84 gegeben ist, gefiltert und anschließend mit einem Analog-Digital-Wandler 86 abgetastet. Abgetastete Stromwerte 88 werden in einem flüchtigen Speicher 90 auf dem Steuergerät abgelegt. Anschließend wird mit Hilfe einer Merkmalserkennung der gespeicherte Stromverlauf auf lokale Maxima untersucht. Hierzu dient ein Auswertealgorithmus 92.
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Das zweite lokale Maximum im Stromverlauf charakterisiert den Anschlagzeitpunkt des Mengensteuerventil-Ankers am Polkern. Die Zeit vom Beginn der Ansteuerung bis zum Zeitpunkt des Anschlags wird als Anzugszeit 94 bezeichnet. Die Anzugszeit 94 ist exemplarabhängig. Die ermittelte Anzugszeit 94 wird im nächsten Schritt mit einem entsprechenden Algorithmus 96 plausibilisiert. Jeder ermittelte Wert der Anzugszeit 94 muss innerhalb der worst case 98 und best case 100 Grenzen liegen.
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Da die Anzugszeit spannungs-, drehzahl- und förderwinkelabhängig ist, müssen mehrere Betriebszustände erreicht werden, um alle Betriebspunkte zu erfassen. Für jeden Betriebspunkt wird in einem abschließenden Schritt 102 eine Anzugszeit ermittelt, plausibilisiert und in einem nichtflüchtigen Speicher 104 hinterlegt werden. Aus den in den Betriebspunkten ermittelten Anzugszeiten sind dabei Korrektur-Anzugszeiten zu ermitteln. Diese Korrektur-Anzugszeiten ermöglichen die Bestimmung der tatsächlichen Anzugszeiten des vorliegenden Exemplars des Mengensteuerventils.
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5 zeigt die Signalaufbereitung und Signalauswertung des vor der Endstufe gemessenen Stroms zur Bestimmung der Anzugszeit mit einem digitalen Tiefpassfilter.
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Der vor der Endstufe gemessene Strom, dessen zeitlicher Verlauf durch die Kurve 60 gegeben ist und der das Messsignal 80 darstellt, wird mit einem Fast-Analog-Digital-Converter (FADC) 120 abgetastet. Die Abtastfrequenz muss dabei mindestens doppelt so groß sein wie die höchste vorkommende Frequenz im gemessenen Stromsignal. Nach der Analog-Digital-Wandlung wird das Abtastsignal 122 mit Hilfe eines Finite-Impulse-Response (FIR) Filters 124 als digitalem Tiefpassfilter gefiltert. Die gefilterten Stromwerte 126 werden in einem flüchtigen Speicher 128 auf dem Steuergerät abgelegt.
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Anschließend wird mit Hilfe einer Merkmalserkennung, ein Auswertealgorithmus 128 zur Bestimmung der Anzugszeit, der gespeicherte Stromverlauf auf lokale Maxima untersucht. Das zweite lokale Maximum im Stromverlauf charakterisiert den Anschlagzeitpunkt des Mengensteuerventil-Ankers am Polkern. Die Zeit vom Beginn der Ansteuerung bis zum Zeitpunkt des Anschlags wird als Anzugszeit 130 bezeichnet.
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Die Anzugszeit 130 ist exemplarabhängig. Die ermittelte Anzugszeit 130 wird im nächsten Schritt 132 plausibilisiert. Jeder ermittelte Wert der Anzugszeit 130 muss innerhalb der worst case 134 und best case 136 Grenzen liegen. Da die Anzugszeit 130 spannungs-, drehzahl- und förderwinkelabhängig ist, müssen mehrere Betriebszustände erreicht werden um alle Betriebspunkte zu erfassen. Für jeden Betriebspunkt muss eine Anzugszeit 130 ermittelt, plausibilisiert und in einen nichtflüchtigen Speicher 140 (Schritt 138) hinterlegt werden. Aus den in den Betriebspunkten ermittelten Anzugszeiten sind dann Korrektur-Anzugszeiten zu ermitteln.
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In 6 ist ein Ablaufplan für die Korrektur der Anzugszeit aufgeführt. In einem ersten Schritt 200 startet das Verfahren. Es wird in einem darauffolgenden Schritt 202 überprüft, ob die Anzugszeit mit der Merkmalserkennung bestimmbar ist. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt 204 die Anzugszeit aus dem Kennfeld verwendet.
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Ergibt Schritt 202, dass die Anzugszeit aus der Merkmalserkennung bestimmbar ist, so erfolgt in einem darauffolgenden Schritt 206 eine Überprüfung, ob die Anzugszeit plausibel ist. Ist dies nicht der Fall, so wird in einem Schritt 208 die Anzugszeit aus dem Kennfeld verwendet. Ist dies hingegen der Fall, so wird in einem nächsten Schritt 210 die Anzugszeit in den nichtflüchtigen Speicher bei der ermittelten Spannung, Drehzahl und Förderwinkel abgelegt. Es wird dann (Schritt 212) die neu ermittelte und korrigierte Anzugszeit verwendet.
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Eine korrigierte Anzugszeit soll sicher stellen, dass keine unnötige Bestromung des Mengensteuerventils während der Anzugsphase bis zum Anschlagzeitpunkt stattfindet. Mit der korrigierten Anzugszeit entspricht die Vorsteuerung im Motorsteuergerät der realen Anzugszeit. Die vorstehend aufgeführten Vorteile werden somit erreicht.
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Das vorgestellte Verfahren kann für jede Hochdruckpumpe mit stromlos offenem Mengensteuerventil in Kombination mit einem geeigneten Steuergerät eingesetzt werden. Die Toleranzen der heutigen und künftigen Mengensteuerventil-Generationen weisen eine immer höhere Exemplartoleranz bspw. auch eine Toleranz der Verzugszeit auf. Das Verfahren kann diese Toleranzen erfassen und über eine geeignete Ansteuerung ausgleichen. Daraus folgt eine verbesserte Raildruckqualität, die ein wesentliches Kriterium darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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