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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anbaulageerkennung einer Hochdruckpumpe und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Hochdruckpumpen werden In Kraftstoffeinspritzanlagen für die Zufuhr von Kraftstoff verwendet. In Common-Rail-Einspritzanlagen, die sich durch eine Trennung von Druckerzeugung und eigentlichem Einspritzvorgang auszeichnen, werden Hochdruckpumpen eingesetzt, um Kraftstoff bis zu einem gewünschten Druckwert, dem Raildruck, zu verdichten und in das Rail, das einen Druckspeicher darstellt, weiterzuleiten. Dazu wird die Hochdruckpumpe in der Einspritzanlage zwischen Niederdruckbereich und Hochdruckbereich angeordnet.
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Es sind Hochdruckpumpen bekannt, die im Vergleich zu herkömmlichen Hochdruckpumpen mit Zumesseinheit (ZME) ein Saugventil, bspw. ein sogenanntes elektrisches Saugventil, aufweisen, über das die Befüllung des Verdichterkolbens bzw. Hochdruckkolbens für jeden Förderhub gezielt eingestellt werden kann. Damit ist es möglich, die Fördermenge jedes einzelnen Förderhubs der Hochdruckpumpe exakt zu bestimmen und einzustellen. Das elektrische Saugventil wird vom Motorsteuergerät derart angesteuert, dass es das Volumen im Hochdruckkolben, das verdichtet werden soll, abschließt. Dies bedeutet, dass die Ansaugphase des Hochdruckkolbens, in der der Kolben in Abwärtsbewegung ist, immer vollständig stattfindet, und die Förderphase des Hochdruckkolbens, in der der Kolben in Aufwärtsbewegung ist, vom Motorsteuergerät eingestellt wird.
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Wird das Saugventil vom Motorsteuergerät angesteuert, so schließt es die Verbindung zum Niederdruck-Kreislauf, und die verbleibende Menge im Hochdruckraum der Pumpe wird nicht mehr durch das Saugventil zurück in den Niederdruckkreislauf, wie dies vor Schließen des Saugventils der Fall ist, gefördert, sondern verdichtet und über das Hochdruckventil der Einspritzanlage zur Verfügung gestellt. Zu beachten ist, dass die vorstehend beschriebe Variante des Saugventils nur eine von vielen darstellt. Das vorgestellte Verfahren ist auch für jede andere mögliche Variante des angesteuerten Saugventils möglich. Darüber hinaus kann das Verfahren auch für alle anderen Hochdruckpumpen mit elementsynchroner Fördermenge und einer Möglichkeit, diese Fördermenge zu verstellen, entsprechend angewendet werden. Elementsynchron bedeutet, dass jedem Pumpenelement eine eindeutige Fördermenge zugeordnet werden kann, d. h. die Fördermengen zweier oder mehrerer Pumpenelemente überschneiden sich zeitlich nicht.
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Bei der hierin betrachteten Pumpenkonstruktion, nämlich einer Hochdruckpumpe mit elementsynchroner Zumessung der Fördermenge, ist es insbesondere von Bedeutung, die geometrische Lage der Hochdruckpumpe zu kennen, um daraus auf die aktuelle Position des Kolbens der Pumpe schließen zu können. Diese geometrische Lage wird hierin als Lage oder auch Anbaulage bezeichnet. Nur so ist es möglich, die Ansaugphase oder Förderphase zu erkennen und zu bestimmen, wann die Umkehrpunkte erreicht sind. Dies ist erforderlich, um das Saugventil zum richtigen Zeitpunkt aktiv zu schließen und so die gewünschte Menge in den Hochdruckspeicher zu fördern.
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Um die Lage der Pumpe zu erkennen, sind verschiedene Verfahren bekannt, die zum Teil mit großen Winkeltoleranzen behaftet sind oder aber nur in kleinen Arbeitsbereichen arbeiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren ermöglicht die Anbaulageerkennung für eine Hochdruckpumpe mit elementsynchroner Zumessung der Fördermenge. Dabei wird in Ausgestaltung ein Verfahren zur Erkennung der Anbaulage im Start mit den beiden neuen Möglichkeiten zur Erkennung im Leerlauf und/oder im Schubbetrieb kombiniert.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Anbauposition der Hochdruckpumpe mit elektrischem Saugventil sehr genau zu bestimmen und über der Lebensdauer nachzuführen. Mit Kenntnis der Anbaulage der Hochdruckpumpe mit elektrischem Saugventil können darauf aufbauende Funktionen, die für die Qualität der Hochdruck-Regelung verantwortlich sind, in Ihrer bisherigen Arbeitsweise übernommen werden. Mit den bislang bekannten Verfahren zur Anbaulagenerkennung ist eine Anwendung dieser Funktionen nicht ohne entsprechende, komplexe Weiterentwicklung möglich.
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Das vorgestellte Verfahren sieht im Wesentlichen die Ermittlung der Anbaulage der Hochdruckpumpe vor. Der Vorteil bei der vorgeschlagenen Vorgehensweise besteht darin, dass die Anbauposition der Hochdruckpumpe zu jedem Zeitpunkt des Motorbetriebs sehr genau bekannt ist und somit heute existierende und notwendige Funktionen zur Verbesserung der Hochdruck-Reglerqualität, z. B. hinsichtlich der adaptiven Pumpenfördermenge, unverändert übernommen werden können. Damit ist eine saubere Trennung zwischen verschiedenen Pumpentypen an der Schnittstelle zur Ansteuerung der Hochdruckpumpe möglich. Alle übrigen Funktionen bleiben unberührt.
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Mit Hilfe der durch das Verfahren implementierten Funktion ist es ebenfalls möglich, Fördermengenunterschiede verschiedener Fahrzeuge, basierend auf Anbaulagentoleranzen und deren Veränderung über der Lebensdauer sowie Komponenteneigenschaften, wie z.B. den hydraulischen Wirkungsgrad, und deren Veränderung über der Lebensdauer, zu unterscheiden und zu diagnostizieren.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass über die Erkennung der Anbaulage der Hochdruckpumpe andere, mechanische Diagnosen, wie z. B. eine unzulässige Toleranz in der Motor-Antriebsmechanik, welche sich über der Lebensdauer ergeben kann, durchgeführt werden können oder dass ein Überspringen der Antriebskette bzw. des Zahnriemens detektiert werden kann. Weitere Funktionen auf Basis der erkannten Anbaulage der Hochdruckpumpe, wie bspw. die Erkennung einer Systemleckage, sind ebenfalls durchführbar.
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Die Funktion zur Erkennung der Anbaulage der Hochdruckpumpe besteht in Ausgestaltung aus mehreren Teilfunktionen. Die erste Teilfunktion dient der Erkennung der Anbaulage im Start, die zweite Teilfunktion dient der Erkennung der Anbaulage im Motor-Leerlauf, und die dritte Teilfunktion dient der Erkennung der Anbaulage im Schubbetrieb bzw. Nullförderbetrieb der Hochdruckpumpe. Auf diese drei Teilfunktionen wird nachfolgend eingegangen.
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1. erste Teilfunktion, Erkennung bzw. Adaption bei Motorstart:
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Beim Motor-Erststart befindet sich die Hochdruckpumpe typischerweise in der sogenannten Vollförderung, was bedeutet, dass der gesamte Verdichtungshub der Hochdruckpumpe für den Druckaufbau der Pumpe und damit für den Druckaufbau im Hochdruckspeicher verwendet wird. Bei den derzeit in Anwendung befindlichen Nockenpumpen sind die Förderhübe der Hochdruckpumpe voneinander getrennt, d. h. zwischen zwei Förderhüben existiert immer eine Förderlücke. Eine Einkolbenpumpe hat bspw. eine Förderlücke von rund 90°.
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Auf Basis der bekannten Geometrie der Nockenbahn, z. B. 90° Ansaugphase und 90° Förderphase, kann nun auf Basis des gemessenen Raildrucks, da Fördermenge einen Druckanstieg bedeutet, und der bekannten Motorposition, die über eine Winkelpositionserfassung für die Programmierung der Einspritzungen bestimmt werden kann, die Anbaulage der Pumpe ermittelt werden. Da diese Erkennung jedoch nur für wenige Pumpenhübe und starke Drehzahldynamik aktiv sein kann, nämlich während des Motorstarts unter Berücksichtigung spezieller Mechanismen, ist diese erste Teilfunktion mit großen Toleranzen behaftet. Die mit der ersten Teilfunktion 1 ermittelte Winkelposition dient jedoch als Basiswert für die zweite und die dritte Teilfunktionen bzw. die Adaptionsgrenzen der beiden weiteren Teilfunktionen werden auf Basis der ersten Teilfunktion abgeleitet.
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2. zweite Teilfunktion, Erkennung bzw. Adaption im Leerlauf:
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Im Motor-Leerlauf kann die Betriebsart des Hochdruck-Reglers in den sogenannten Zumessbetrieb geschaltet werden, d. h. es wird nur die Menge an Kraftstoff in das Hochdruck-System gefördert, die vom Motor (Einspritzmenge) sowie vom Einspritzsystem (Steuermenge, Leckage) benötigt wird. Über diese spezielle Betriebsart kann eine sehr kleine Fördermenge der Hochdruckpumpe eingestellt werden. Bei PKW-Anwendungen ist dies typischerweise weniger als 1 l/h, so dass sich die Hochdruckpumpe nahe der sogenannten Nullförderung befindet. Darüber hinaus kann durch den typischen Raildruck im Motor-Leerlauf eine Beeinträchtigung der Anbaulagenerkennung durch Wirkungsgradunterschiede der Hochdruckpumpe nahezu ausgeschlossen bzw. vernachlässigt werden.
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Da der Motor-Leerlauf ein Betriebspunkt ist, der über mehrere Motorumdrehungen stabil ist, ist es in diesem Betriebspunkt möglich, über eine Zeitdauer von mehreren stabilen Förderhüben der Hochdruckpumpe den programmierten Ansteuerbeginn des Saugventils in eine Winkelposition der Hochdruckpumpe umzurechnen. Die ermittelte Winkelposition, bei der die Fördermenge für den Motor-Leerlaufbetrieb zur Verfügung gestellt wird, kann auf Basis der ersten Teilfunktion 1 überprüft werden und es wird auf Basis der bekannten Pumpeneigenschaften am Betriebspunkt "Motor-Leerlauf' eine geometrische Anbaulage abgeleitet.
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Befindet sich der Hochdruck-Regler im Motor-Leerlauf im sogenannten Vollförderbetrieb der Hochdruckpumpe, dann kann analog der Vorgehensweise bei Motorstart der Förderbeginn und/oder das Förderende der Hochdruckpumpe und damit deren geometrische Anbaulage auf Basis des Drucksignals im Hochdruckspeicher bzw. im Rail bestimmt werden.
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3. dritte Teilfunktion, Erkennung bzw. Adaption im Schubbetrieb:
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Der Schubbetrieb des Motors zeichnet sich dadurch aus, dass keine Einspritzmenge in den Motor eingespritzt wird. Es werden nachfolgend zwei Varianten unterschieden:
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3.1 Variante a: Systeme ohne Permanentleckage und Druckregelventil geschlossen:
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Befindet sich der Hochdruck-Regler wieder im sogenannten Zumessbetrieb, so wird in dieser Betriebsart keine Fördermenge ins Rail gefördert. Der resultierende Raildruck ist konstant. Nun kann, ausgehend von einer aus der ersten und/oder zweiten Teilfunktion sicher als "kurz nach Pumpen-OT" (OT: oberer Totpunkt) abgeleiteten Position, die Ansteuerung des Saugventils in kleinen Schritten nach "früh" verschoben werden. Ist die Position der Ansteuerung soweit nach früh verschoben, dass die Pumpe beginnt, Menge zu fördern, ist dies an einem charakteristischen Verlauf des Raildrucks zu erkennen. Es zeigt sich eine permanente Druckerhöhung mit Druckspitzen an der erwarteten Position. Nun ist die "Nullförderposition" der Pumpe detektiert.
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3.2. Variante b: Systeme mit Permanentleckage:
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Befindet sich der Hochdruck-Regler wieder im sogenannten Zumessbetrieb, so wird in dieser Betriebsart keine Fördermenge ins Rail gefördert. Der resultierende Raildruck ist kontinuierlich fallend, wobei die Leckage des Systems den typischen Verlauf aufprägt. Nun kann, ausgehend von einer aus der ersten und/oder zweiten Teilfunktion sicher als "kurz nach Pumpen-OT" erkannten Position die Ansteuerung des Saugventils in kleinen Schritten nach "früh" verschoben werden. Ist die Position der Ansteuerung soweit nach früh verschoben, dass die Pumpe beginnt, Menge zu fördern, ist dies an einem charakteristischen Verlauf des Raildrucks zu erkennen. Es zeigen sich spitzen- bzw. peakartige Druckerhöhungen mit anschließend wieder charakteristischem, kontinuierlich fallendem Verlauf. Nun ist die "Nullförderposition" der Pumpe detektiert.
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Die erste Teilfunktion erkennt folglich die "grobe" Winkelanbaulage der Hochdruckpumpe auf Basis von Förderbeginn und Förderende und dient als Startwert für die Erkennung der Anbauposition im Leerlauf und im Schubbetrieb. Darüber hinaus werden aus dieser Funktion die Grenzen und Diagnoseschwellen der beiden anderen Teilfunktionen abgeleitet. Die zweite Teilfunktion erkennt entweder die Winkelposition einer kleinen Fördermeng oder den Förderbeginn und/oder das Förderende bei Vollförderung. Die daraus abgeleitete bzw. optimierte Winkelanbaulage der Hochdruckpumpe bildet gemeinsam mit der ersten Teilfunktion die Grenze für die Erkennung der Nullförderposition im Schubbetrieb. Die dritte Teilfunktion erkennt die Position der sogenannten Nullfördermenge. Diese Position muss nach der Position für die Leerlauffördermenge liegen.
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Aus der Summe der Funktionen, nämlich der Erkennung des Förderbeginns, des Förderendes, der definierten, kleinen Menge und Nullmenge, lässt sich unter Kenntnis der Pumpengeometrie, d. h. der Formung der Nockenbahn und der hydraulische Wirkungsgrad, sowie des Systemlayouts, wie bspw. Leitungslängen, Volumen, Anbauposition des Drucksensor, die Winkelanbaulage der Hochdruckpumpe sehr genau ermitteln. Die ermittelte Position kann stetig im Betrieb, bei Erreichen der zur Adaption notwenigen Zustände, weiter adaptiert werden. Die jeweils neu ermittelte Position einer der Teilfunktionen kann, unter Berücksichtigung der bisherigen Position, in eine neue Winkelanbaulage gewandelt werden. Ein Anfordern der Betriebszustände für die Adaption der Anbaulage ist nicht erforderlich, so dass sich auch für Start/Stopp und Hybridanwendungen keine Einschränkungen ergeben.
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Die vorgestellte Anordnung dient zur Durchführung des Verfahrens und ist bspw. in einem Steuergerät, bspw. dem Motorsteuergerät, integriert oder als solches ausgebildet. Das Verfahren kann bspw. dazu verwendet werden, hydraulische Diagnosen in Form kleiner Leckagemengen zu detektieren.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten 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 eine Ausführung einer Hochdruckpumpe.
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2 zeigt den Druckverlauf im Rail.
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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 eine Ausführung einer Hochdruckpumpe, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese Hochdruckpumpe 10 umfasst eine Pumpenkammer 12, in der ein Kolben 14 über einen Nocken 16 angetrieben hoch und runter bewegt wird. Ein Pfeil 18 verdeutlicht die Bewegungsrichtung während der Ausstoßphase, in der zunächst verdichtet wird.
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Die Darstellung zeigt weiterhin ein Saugventil 20, in diesem Fall ein elektrisches Saugventil, eine Zulaufleitung 22 und optional eine Rücklaufleitung 24, die auf der Niederdruckseite der Hochdruckpumpe 10 vorgesehen sind. Weiterhin ist eine Hochdruckleitung 26 mit hochdruckseitigem Druckventil zum Zuführen von unter Druck stehendem Kraftstoff, typischerweise zu einem Hochdruckspeicher bzw. Rail, vorgesehen.
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Das Saugventil 20 umfasst einen Anker 30, der mit einer Feder 32 derart vorgespannt ist, dass das Saugventil 20 in unbestromtem Zustand geöffnet ist. In diesem Fall wird der Kraftstoff in Richtung eines Pfeils 34 gefördert. Wird das Saugventil 20 angesteuert, so schließt dieses und Kraftstoff wird in einer Ausstoßphase in Richtung eines Pfeils 36 zu der Hochdruckseite gefördert.
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2 zeigt den typischen Druckverlauf im Rail bei Pumpenförderung. Die Darstellung zeigt einen Graphen 50, an dessen Abszisse 52 die Zeit [s] aufgetragen ist. Eine erste Kurve 54 zeigt den Raildruckverlauf, eine zweite Kurve 56 den Druck im Elementraum bzw. in der Pumpenkammer der Hochdruckpumpe. Eine dritte Kurve 58 zeigt den Verlauf des Ansteuerstroms. Weiterhin sind in dem Graphen 50 der Beginn 60 der Ansteuerung, der Beginn 62 der Förderung und der berechnete obere Totpunkt 64 eingetragen. Das physikalische Förderende 66 befindet sich, abhängig von dem betriebspunktabhängigen Wirkungsgrad 70 der Hochdruckpumpe, vor dem berechneten oberen Totpunkt 64.
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Die Raildruckerfassung ist bei der dargestellten Ausführung während der gesamten Förderphase fortlaufend aktiv. Somit lassen sich zwei charakteristische Druckbereiche detektieren, ein erster Bereich 80, in dem der Druck permanent ansteigt und ein zweiter Bereich 82, in dem der Druck stabil ist. Unter Kenntnis der geometrischen Eigenschaften und Wirkungsgrade der Hochdruckpumpe lässt sich mit diesen Informationen beispielhaft der geometrische obere Totpunkt 64 berechnen. Diese beispielhafte Ausführung ist charakteristisch für die Ermittlung des oberen Totpunkts der Pumpe z. B. im Start.
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Auf Basis der Kenntnis der verbauten Hochdruckpumpe, insbesondere der geometrischen Daten, lässt sich das Raildruckverhalten einem Fördervolumen und damit eindeutig einem geometrischen Zeitpunkt des Förderbeginns der Pumpe zuordnen.
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Der Druckunterschied, der sich ergibt, ist proportional zum Fördervolumen und damit zum geometrischen Förderbeginn der Pumpe auf ihrer Nockenbahn. ΔP = ΔV / Vges·ε (1) wobei gilt:
- ΔP:
- Druckabweichung
- ΔV:
- Volumenabweichung
- Vges:
- Gesamtwolumen
- ε:
- Elastizitätsmodul
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Darüber hinaus lässt sich bestimmen, bis zu welchem Winkel der Nockenbahn mit einer Mengenförderung ins Rail und damit einem Druckanstieg zu rechnen ist. Dieser Zusammenhang lässt sich auch umgekehrt entwickeln, d. h. man kann über die Erkennung eines Druckanstiegs auf den Förderbeginn der Pumpe schließen.
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Das vorgestellte Verfahren kann bei allen Nockenpumpen eingesetzt werden, deren Anbaulage erkannt werden soll. Grundsätzlich ist auch eine Anwendung bei Pumpen mit Zumesseinheit möglich, jedoch muss hier beachtet werden, dass diese Pumpen typischerweise keine Betriebsart besitzen, bei der keine Menge in das System gefördert wird. Eine entsprechende Anpassung der Logik bzw. der Funktionalität ist aber denkbar.
