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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Sensoreinrichtung an einem Kraftstoffinjektor. Ferner betrifft die Erfindung eine Prüfeinrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2014 209 330 A1 der Anmelderin ist es bekannt, bei einem Kraftstoffinjektor zur Erkennung insbesondere des Zeitpunkts des Schließens seiner Düsennadel eine Sensoreinrichtung zu verwenden, die ein an einer Ausnehmung oder einer Abflachung des Injektorgehäuses im Bereich einer Versorgungsbohrung am Injektorgehäuse angeordnetes Piezoelement aufweist. Die Versorgungsbohrung versorgt einen Hochdruckraum, in dem auch die Düsennadel angeordnet ist, mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Dabei weist das Injektorgehäuse im Bereich des Piezoelements einen Verformungsbereich auf, der in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks in der Versorgungsbohrung elastisch deformierbar ausgebildet ist. Bei einer Druckerhöhung in der Versorgungsbohrung wölbt sich der Verformungsbereich konvex nach außen, was mittels des Piezoelements detektierbar ist. Das Piezoelement ist mittels einer Klebeverbindung mit dem Verformungsbereich des Injektorgehäuses verbunden. Für die Funktionalität der soweit beschriebenen Sensoreinrichtung, insbesondere für die korrekte Erfassung von Druckänderungen in der Versorgungsbohrung, ist die zwischen dem Injektorgehäuse und dem Piezoelement ausgebildete Klebeverbindung von entscheidender Bedeutung, da über die Klebeverbindung die Deformation des Verformungsbereichs auf das Piezoelement übertragen wird. Das Piezoelement erzeugt wiederum in Abhängigkeit von der Deformation des Verformungsbereichs Spannungssignale, die durch eine Auswerteschaltung bzw. ein Steuergerät ausgewertet werden können. Aufgrund oftmals kritischer Umgebungsbedingungen im Bereich der Sensoreinrichtung, d.h. relativ hohe bzw. tiefe Temperaturen sowie die Gefahr des Zutritts von Medien zu der Klebeverbindung ist es insbesondere über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet wünschenswert, eine derartige Klebeverbindung zwischen einer Sensoreinrichtung bzw. einem Piezoelement und dem Injektorgehäuse überprüfen zu können. Insbesondere soll eine derartige Überprüfung mit möglichst geringem Aufwand und mit hoher Genauigkeit bzw. Zuverlässigkeit erfolgen können. Hierzu sind der genannten Schrift keine Angaben entnehmbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Prüfen einer Sensoreinrichtung an einem Kraftstoffinjektor bereitzustellen, das die oben genannten Anforderungen hinsichtlich eines geringen Aufwands sowie hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfüllt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Prüfen einer Sensoreinrichtung an einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch das Piezoelement wenigstens einen elektrischen Spannungsimpuls bzw. ein elektrisches Spannungssignal zu erzeugen, der/das ausgewertet wird, wobei das Einspritzglied dabei nicht bewegt wird. Hintergrund hierfür ist, dass bei einer Bewegung des Einspritzglieds sich der Druck beispielsweise in der Versorgungsbohrung ändert. Zur Überprüfung der Klebeverbindung zwischen dem Piezoelement und dem Kraftstoffinjektor ist hingegen wesentlich, inwieweit ein normiertes bzw. standardisiertes, vom Piezoelement erzeugtes elektrisches Spannungssignal sich ändert bzw. welchen zeitlichen Verlauf es aufweist. Daher wird vorgeschlagen, den zeitlichen Verlauf des wenigstens einen elektrischen Spannungssignals des Piezoelements nach dem Erzeugen des wenigstens einen Spannungssignals mit dem zeitlichen Verlauf von vorgegebenen Sollwerten zu vergleichen, und bei einer Abweichung von den Sollwerten auf eine mangelhafte bzw. qualitativ nicht ausreichende Klebeverbindung zu schließen. Ein derartiges Verfahren hat darüber hinaus den besonderen Vorteil, dass der Motor zum Prüfen nicht betrieben werden muss. Dadurch lassen sich andere Einflüsse, die ggf. das Spannungssignal beeinflussen, beispielsweise der Lastzustand, die Drehzahl usw. des Motors, auf einfache Art und Weise bei der Überprüfung der Sensoreinrichtung ausblenden bzw. diese Faktoren müssen nicht berücksichtigt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Prüfen einer Sensoreinrichtung an einem Kraftstoffinjektor sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Zur Erzeugung des wenigstens einen elektrischen Spannungssignals an dem Piezoelement stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung: Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass das wenigstens eine elektrische Spannungssignal durch eine elektrische Ansteuerung des Piezoelements erzeugt wird. Das elektrische Spannungssignal wird daher, im Gegensatz zu Spannungssignalen, die während des Betriebs des Kraftstoffinjektors auftreten, nicht durch eine äußere mechanische Deformation des Verformungsbereichs oder ähnliches hervorgerufen. Ein derartiges Verfahren hat daher den Vorteil, dass durch eine normierte bzw. standardisierte elektrische Ansteuerung des Piezoelements ein bestimmter Anfangszustand des Piezoelements simuliert werden kann. Insbesondere lässt sich ein derartiges elektrisches Ansteuersignal auch relativ einfach erzeugen, beispielsweise durch ein fahrzeuginternes Steuergerät oder aber eine externe Prüfeinrichtung.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die elektrische Ansteuerung des Piezoelements in regelmäßigen zeitlichen Abständen und/oder situationsbedingt erfolgt. Gemeint ist hierbei, dass beispielsweise in regelmäßigen Abständen bzw. beispielsweise nach jedem zehnten oder hundertsten Abstellen der Zündung durch ein Steuergerät ein entsprechendes elektrisches Spannungssignal erzeugt wird, um die angesprochene Klebeverbindung zu überprüfen. Insbesondere ermöglicht es ein derartiges Vorgehen auch, Ergebnisse aus vorangegangenen Prüfzyklen abzuspeichern und mit den jeweils aktuellen Ergebnissen zu vergleichen. Dadurch lassen sich besonders einfach und sicher über den zeitlichen Verlauf stattfindende Verschlechterungen der Klebeverbindung detektieren. Auch ist es denkbar, beispielsweise nach Auftreten für die Klebeverbindung potentiell kritischer Zustände an der Brennkraftmaschine, beispielsweise wenn die Brennkraftmaschine über einen längeren Zeitraum mit besonders hoher Last und/oder Drehzahl betrieben wurde, ein derartiges elektrisches Spannungssignal zu erzeugen.
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In grundsätzlich alternativer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch denkbar, dass die elektrische Ansteuerung durch eine externe Prüfeinrichtung erfolgt. Eine derartige Prüfeinrichtung kann beispielsweise während üblicher Inspektionen mit der Brennkraftmaschine bzw. dem Kraftstoffinjektor verbunden werden. Ein derartiges Vorgehen hat insbesondere den Vorteil, dass fahrzeugseitig zumindest im Wesentlichen keine zusätzlichen Einrichtungen benötigt werden.
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In wiederum alternativer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch denkbar, dass das wenigstens eine elektrische Spannungssignal an dem Piezoelement durch eine mechanische Anregung des Piezoelements erzeugt wird, insbesondere mittels eines in Wirkverbindung mit dem Kraftstoffinjektor angeordneten mechanischen Impulserzeugers. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass durch eine bestimmte mechanische Anregung bzw. einen Stoßimpuls in ähnlicher Art und Weise, wie dies bei einer Druckerhöhung in einer Versorgungsbohrung des Kraftstoffinjektors mit damit einhergehender Deformation des Verformungsbereichs erfolgt, durch das Piezoelement ein elektrisches Spannungsimpuls erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf anschließend analysiert wird.
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Um insbesondere Toleranzen, Messfehler oder ähnliches bei einem einzigen elektrischen Spannungssignal auszuschließen, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn mehrere elektrische Spannungssignale erzeugt werden und deren zeitliche Verläufe ausgewertet werden. So kann dann beispielsweise aus den elektrischen Spannungssignalen ein Mittelwert gebildet werden.
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Unter der Betrachtung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannungssignale wird verstanden, dass der zeitliche Amplitudenverlauf und/oder der zeitliche Spannungsverlauf und/oder eine Phasenlage des wenigstens einen Spannungssignals ausgewertet wird. Unter einer Phasenlage wird dabei beispielsweise eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Erzeugen beispielsweise eines mechanischen Impulses und dem Auftreten eines elektrischen Spannungssignals verstanden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nicht nur, grundsätzlich auf eine fehlerhafte bzw. fehlerfreie Klebeverbindung zwischen dem Piezoelement und dem Kraftstoffinjektor zu schließen, sondern es wird auch ermöglicht, dass aufgrund des zeitlichen Amplitudenverlaufs und/oder des zeitlichen Spannungsverlaufs und/oder der Phasenlage des wenigstens einen Spannungssignals bei einer Abweichung von den Sollwerten auf ein Fehlerbild der Klebeverbindung oder dem Piezoelement geschlossen werden kann.
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Zuletzt umfasst die Erfindung auch eine Prüfeinrichtung zum Durchführen des soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Prüfeinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen wenigstens eines elektrischen Spannungssignals an dem Piezoelement in einem Zustand des Kraftstoffinjektors, bei dem das Einspritzglied nicht bewegt wird, umfasst sowie eine Diagnoseeinrichtung zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs des wenigstens einen elektrischen Spannungssignals des Piezoelements nach dem Erzeugen des wenigstens einen Spannungssignals, und wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf des wenigstens einen Spannungssignals mit vorgegeben Sollwerten zu vergleichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kraftstoffinjektors mit einer Messeinrichtung zur zumindest mittelbaren Erfassung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor,
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2 in schematischer Darstellung den Kraftstoffinjektor gemäß 1 in Verbindung mit einer Prüfeinrichtung zum Prüfen der Messeinrichtung des Kraftstoffinjektors und
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3 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Spannungssignals eines Piezoelements bei einer fehlerfreien Klebeverbindung sowie bei einer fehlerhaften Klebeverbindung zwischen dem Piezoelement und einem Injektorgehäuse des Kraftstoffinjektors.
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Gleiche Elemente und Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der in der 1 stark vereinfacht dargestellte Kraftstoffinjektor 10 ist als sogenannter Common-Rail-Injektor ausgebildet, und dient dem Einspritzen von Kraftstoff in den nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein im Wesentlichen aus Metall bestehendes, ggf. mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 11 auf, in dem auf der dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Seite wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 12 zum Einspritzen des Kraftstoffs angeordnet sind. Innerhalb des Injektorgehäuses 11 bildet dieses einen Hochruckraum 15 aus, in dem eine als Einspritzglied dienende Düsennadel 16 in Richtung des Doppelpfeils 17 hubbeweglich angeordnet ist. In der dargestellten, abgesenkten Stellung der Düsennadel 16 bildet diese zusammen mit der Innenwand des Hochdruckraums 15 bzw. des Injektorgehäuses 11 einen Dichtsitz aus, so dass die Einspritzöffnungen 12 zumindest mittelbar verschlossen sind, derart, dass das Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine vermieden wird. In der anderen, nicht dargestellten, von dem Dichtsitz abgehobenen Position der Düsennadel 16 gibt diese die Einspritzöffnungen 12 zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine frei. Die Bewegung der Düsennadel 16, insbesondere zum Freigeben der Einspritzöffnungen 12, erfolgt auf eine an sich bekannte Art und Weise mittels eines nicht dargestellten Aktuators, der über eine Spannungsversorgungsleitung 18 von einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist. Bei dem Aktuator kann es sich insbesondere um einen Magnetaktuator oder aber um einen Piezoaktuator handeln.
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Die Versorgung des Hochdruckraums 15 mit unter Hochdruck (Systemdruck) stehendem Kraftstoff erfolgt über eine innerhalb des Injektorgehäuses 11 angeordnete bzw. in Bauteilen des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Versorgungsbohrung 19, die insbesondere exzentrisch zur Längsachse 21 des Injektorgehäuses 11 in einem Randbereich des Kraftstoffinjektors 10, zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse 21, verläuft. Die Versorgungsbohrung 19 ist darüber hinaus über einen nicht dargestellten Kraftstoffanschlussstutzen mit einer Kraftstoffleitung 22 verbunden, welche wiederum mit einem Kraftstoffspeicher 25 (Rail) gekoppelt ist.
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In einem von den Einspritzöffnungen 12 bzw. dem Brennraum axial relativ weit beabstandeten Bereich des Injektorgehäuses 11 ist in dessen Außenwand 23 beispielhaft eine sacklochförmige Vertiefung 24 ausgebildet, so dass die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 im Bereich der Vertiefung 24 reduziert ist. Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle einer sacklochförmigen Vertiefung 24 das Injektorgehäuse 11 auch eine Abflachung aufweisen kann, in deren Bereich die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 reduziert ist.
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Der eben ausgebildete Grund 26 der Vertiefung 24 bildet einen Teil eines Verformungsbereichs 27 aus. Dadurch wirkt der in der Versorgungsbohrung 19 augenblicklich herrschende Kraftstoffdruck auch in dem Injektorgehäuse 11 auf der der Vertiefung 24 abgewandten Seite. Dadurch, dass die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 im Bereich der Vertiefung 24 reduziert ist, wirkt der Wandabschnitt 29 des Injektorgehäuses 11 auf der der Vertiefung 24 zugewandten Seite als Verformungsbereich 27 in Art einer elastisch verformbaren Membran, wobei die Verformung, welche sich als Wölbung ausbildet, umso größer ist, je höher der augenblickliche Kraftstoffdruck in der Versorgungsbohrung 19 ist.
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Zur Detektion des zeitlichen Verlaufs des Kraftstoffdrucks in der Versorgungsbohrung 19 und damit auch in dem Hochdruckraum 15, welcher als Indiz für die augenblickliche Stellung der Düsennadel 16 zur Ansteuerung der Düsennadel 16 verwendet wird, weist der Kraftstoffinjektor 10 eine Sensoreinrichtung 30 auf. Die Sensoreinrichtung 30 umfasst ein als Piezoelement 31 ausgebildetes Sensorelement 32.
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Die Sensoreinrichtung 30 bzw. das Piezoelement 31 ist über eine in der 1 lediglich symbolisch dargestellte Klebeverbindung 33 mit dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27 verbunden. Darüber hinaus ist das Piezoelement 31 bzw. die Sensoreinrichtung 30 über eine elektrische Anschlussleitung 35 beispielsweise mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung, z.B. in Form eines fahrzeuginternen Steuergeräts, verbunden.
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Bei einer Druckerhöhung in der Versorgungsbohrung 19 wird der Verformungsbereich 27 elastisch nach außen deformiert. Diese Deformation des Verformungsbereichs 27 wird über die Klebeverbindung 33 auf das Piezoelement 31 übertragen. Das Piezoelement 31 erzeugt in Abhängigkeit von der Verformung elektrische Spannungssignale, die über die elektrische Anschlussleitung 35 der erwähnten Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Anhand der elektrischen Spannungssignale ist es insbesondere möglich, auf den Zeitpunkt des Schließens der Düsennadel 16 zu schließen, wenn diese auf ihren Dichtsitz im Injektorgehäuse 11 auftrifft, um die Einspritzöffnungen 12 zu verschließen. Die Messeinrichtung 30 dient insbesondere über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors 10 betrachtet dazu, die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 10 zu optimieren, um beispielsweise Abgaswerte einzuhalten.
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Zur Überprüfung der Klebeverbindung 33 zwischen dem Piezoelement 31 der Sensoreinrichtung 30 und dem Injektorgehäuse 11 des Kraftstoffinjektors 10 ist der Kraftstoffinjektor 10 entsprechend der Darstellung der 2 mit einer Prüfeinrichtung 100 verbindbar. Die Prüfeinrichtung 100 umfasst entsprechend der Darstellung der 2 beispielhaft eine Einrichtung 101 zur Erzeugung wenigstens eines elektrischen Spannungssignals an dem Piezoelement 31. Hierzu ist die Einrichtung 101 in Wirkverbindung mit dem Kraftstoffinjektor 10 bzw. dessen Injektorgehäuse 11 und/oder (je nach Art der Einrichtung 101) mit dem Piezoelement 31 angeordnet. Beispielsweise kann die Einrichtung 101 dazu ausgebildet sein, wenigstens einen mechanischen Impuls auf das Injektorgehäuse 11 in Form eines Schlags bzw. Stoßes mit definierter Impulsenergie auszuüben, der beispielsweise ein Deformation des Verformungsbereichs 27 bewirkt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung 101 dazu ausgebildet ist, das Piezoelement 31 selbst elektrisch anzusteuern. In diesem Fall ist die Einrichtung 101 im Gegensatz zur Darstellung der 2, insbesondere über die elektrische Anschlussleitung 35 mit der Sensoreinrichtung 30 bzw. dem Piezoelement 31 verbunden.
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Darüber hinaus umfasst die Prüfeinrichtung 100 eine über die Anschlussleitung 35 mit dem Kraftstoffinjektor 10 verbundene Diagnoseeinrichtung 102 zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs des wenigstens einen, von dem Piezoelement 31 mittels der Einrichtung 101 erzeugten elektrischen Spannungssignals. Die Diagnoseeinrichtung 102 weist Mittel zu Erfassung des zeitlichen Amplitudenverlaufs und/oder des zeitlichen Spannungsverlaufs und/oder der Phasenlage des wenigstens einen, von dem Piezoelement 31 erzeugten elektrischen Spannungssignals auf. Darüber hinaus weist die Diagnoseeinrichtung 102 einen Datenspeicher 103 auf, in dem bestimmte Soll-Werte des angesprochenen zeitlichen Verlaufs der angegebenen Parameter abgespeichert sind, um den tatsächlichen zeitlichen Verlauf des wenigstens einen Spannungsimpulses mit den abgespeicherten Soll-Werten zu vergleichen. Bei einer Abweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten wird beispielsweise auf eine fehlerhafte Klebeverbindung 33 geschlossen.
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In der 3 ist der zeitliche Verlauf eines elektrischen Spannungssignals 1 des Piezoelements 31 über die Zeit zwischen t=0 (Zeitpunkt der Erzeugung des Spannungssignals 1) und t = t1 (Ende eines Prüfzeitraums) dargestellt. Insbesondere erkennt man, dass die Höhe der Spannung U, d.h. deren Amplitude, über die Zeit t im Sinne einer gedämpften Schwingung abnimmt. Weiterhin ist der Verlauf eines Spannungssignals 1’ eingezeichnet, wie es sich beispielsweise bei einer fehlerhaften Klebeverbindung 33 einstellt. Dieses Spannungssignal 1’ ist dadurch gekennzeichnet, dass eine wesentlich geringere Dämpfung stattfindet, d.h., dass die Amplituden zu beliebigen Zeitpunkten t gegenüber dem Spannungssignal 1 vergrößert sind, und insbesondere zumindest zeitweise höher sind als obere bzw. untere Grenzwerte OG, UG, wie Sie bei einer korrekten Klebeverbindung 33 angenommen werden. Ein derartiges Spannungssignal 1’ ist beispielsweise dadurch erklärbar, dass durch eine fehlerhafte Klebeverbindung 33 die mechanische Kopplung zum Injektorgehäuse 11 und somit eine mechanische Dämpfung geringer ist. Auch können sich beispielsweise Oberwellen ausbilden, wenn die Klebeverbindung 33 nicht vollständig ist. Sollte das Piezoelement 31 geschädigt sein, kann beispielsweise auch die Frequenz von einem vorgegebenen Sollwert abweichen.
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Ergänzend wird erwähnt, dass die Prüfeinrichtung 100 entweder durch fahrzeuginterne Mittel realisiert werden können, beispielsweise durch ein Motorsteuergerät, das einerseits während einer Stillstandsphase des Motors, d.h. in einem Zustand, bei dem die Düsennadel 16 nicht bewegt bzw. angesteuert wird ein entsprechendes Ansteuersignal über die elektrische Anschlussleitung 35 an das Piezoelement 31 erzeugt und anschließend über die Anschlussleitung 35 das Spannungssignal auswertet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass es sich bei der Prüfeinrichtung 100 um eine Prüfeinrichtung 100 handelt, wie sie typischerweise in Werkstätten Verwendung findet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014209330 A1 [0002]
