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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeugs, ein Kraftstoffeinspritzsystem und ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftstoffeinspritzsystem.
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Hintergrund
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Typischerweise kann eine Leistung eines Dieselmotors in Bezug auf Emissions- und Verbrennungsgeräusche stark beeinflusst werden durch die Genauigkeit einer Kraftstoffeinspritzmessung eines Motormanagementsystems, das eine oder mehrere entsprechende Kraftstoffeinspritzdüsen betreibt. Insbesondere eine Genauigkeit einer kleinen Kraftstoffeinspritzmenge (z.B. kleiner als zwei Milligramm pro Hub), eine so genannte Voreinspritzmenge, kann sehr wichtig sein.
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Mit anderen Worten kann eine Dosierung und Zeiteinteilung, die durch ein Signal von einem konventionellen elektronischen Steuermodul (ECM) und/oder einer Motorsteuereinheit (ECU) mit geregeltem Start und geregelter Dauer erreicht wird, in ihrer Genauigkeit in Bezug auf kleine Einspritzmengen begrenzt sein.
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Darüber hinaus kann ein tatsächliches Verhalten der Kraftstoffeinspritzdüsen nicht mit einem gewünschten Verhalten übereinstimmen, z.B. in Bezug auf einen Zeitpunkt einer Einspritzung und/oder eine Kraftstoffmenge pro Einspritzung. Dies kann noch dadurch verstärkt werden, dass sich die technischen Eigenschaften einer Einspritzdüse während ihrer Lebensdauer aufgrund von Verschleiß und dergleichen ändern können.
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Die Druckschrift
DE 10 346 220 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit Kraftstoffeinspritzung, welcher ein Abgasnachbehandlungssystem zur Zuführung eines Abgasreduktionsmittels umfasst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Somit besteht ein Bedarf, verbesserte Lösungen zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems zu finden.
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Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Anspruch 9 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 bereit.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung, wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Einspritzdüse, welche einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung an einem axialen Ende und eine Düsennadel aufweist, wobei die Düsennadel sich innerhalb des Düsenkörpers zum Öffnen und Schließen der Düsenöffnung durch Kontaktieren des Düsenkörpers an der Düsenöffnung bewegt, wobei die Düsennadel ein elektrisches Signal durch Bilden eines elektrischen Kontakts mit dem Düsenkörper erzeugt, wobei das elektrische Signal einen geöffneten Zustand und einen geschlossenen Zustand der Einspritzdüse definiert. Das Verfahren umfasst Messen einer tatsächlichen Einspritzzeit der Einspritzdüse während der Einspritzung auf Basis des elektrischen Signals; Auswerten einer Abweichung der tatsächlichen Einspritzzeit von einer geplanten Einspritzzeit des Kraftstoffeinspritzsystems; und Steuern der Einspritzdüse durch Anpassen von Einspritzparametern der Einspritzdüse in Abhängigkeit von der ausgewerteten Abweichung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, umfasst ein Kraftstoffeinspritzsystem eine Einspritzdüse, welche einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung an einem axialen Ende und eine Düsennadel aufweist, wobei die Düsennadel innerhalb des Düsenkörpers zum Öffnen und Schließen der Düsenöffnung durch Kontaktieren des Düsenkörpers an der Düsenöffnung beweglich ist, wobei die Düsennadel dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal durch Bilden eines elektrischen Kontakts mit dem Düsenkörper zu erzeugen, wobei das elektrische Signal einen geöffneten Zustand und einen geschlossenen Zustand der Einspritzdüse definiert; und eine Einspritzregeleinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine tatsächliche Einspritzzeit der Einspritzdüse während der Einspritzung auf Basis des elektrischen Signals zu messen, um eine Abweichung der tatsächlichen Einspritzzeit von einer geplanten Einspritzzeit des Kraftstoffeinspritzsystems auszuwerten und um die Einspritzdüse zu steuern, indem Einspritzparameter der Einspritzdüse in Abhängigkeit von der ausgewerteten Abweichung angepasst werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, umfasst ein Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor und ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß der Erfindung, wobei die Einspritzregeleinrichtung des Kraftstoffeinspritzsystems eine Motorsteuerung des Verbrennungsmotors umfasst und/oder mit dieser gekoppelt ist.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch ein bestimmtes Einspritzerdesign einen Betriebszustand eines Kraftstoffeinspritzers, z.B. eines Dieseleinspritzers, in situ und in Echtzeit zu überwachen und anhand des entsprechenden Messsignals auszuwerten, ob eine Abweichung von einem geplanten und/oder gewünschten Verhalten vorliegt. Verhält sich das Einspritzsystem nicht wie gewünscht, werden Gegenmaßnahmen eingeleitet, indem die Einspritzparameter der Einspritzdüse entsprechend angepasst werden. Das Ergebnis der Messung wird insbesondere als Feedback durch Erzeugen eines Regeleingriffs angewendet, wodurch ein geschlossener Regelkreis und/oder ein adaptives Korrekturverfahren bereitgestellt wird.
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Zu diesem Zweck wird mit dem elektrischen Signal eine tatsächliche Einspritzzeit der Einspritzdüse gemessen, welche in der Praxis deutlich von der gewünschten und/oder konfigurierten Einspritzzeit abweichen kann. So kann es beispielsweise erforderlich sein, dass ein Einspritzventil der Einspritzdüse zu einem bestimmten Zeitpunkt geöffnet und geschlossen werden muss, um eine genaue Menge an eingespritztem Kraftstoff bereitzustellen. Ein ungenaues Timing des Einspritzventils kann die Leistung des Einspritzsystems und damit des entsprechenden Verbrennungsmotors negativ beeinflussen. Mit dem System der vorliegenden Erfindung kann das tatsächliche Timing der Einspritzdüse präzise gemessen werden, um den Einspritzprozess bei Abweichungen zu optimieren.
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Unter den verschiedenen Vorteilen der Erfindung können bei verschiedenen Betriebsbedingungen und über den gesamten Lebenszyklus des Einspritzsystems hervorragende Emissions- und Geräuschwerte erreicht werden, während gleichzeitig eine geringe Schwankung von Fahrzeug-zu-Fahrzeug gewährleistet werden kann. Die Erfindung bietet damit eine leistungsstarke Unterstützung für die On-Board-Diagnose. Darüber hinaus kann der Aufwand für eine Fahrzeugkalibrierung deutlich reduziert werden, was Zeit und Kosten spart.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem kann auf einem Common-Rail-Kraftstoffdirekteinspritzsystem basieren, wie es für Dieselmotoren bekannt ist. Die Erfindung kann jedoch auch in anderen Einspritzsystemen eingesetzt werden, z.B. in einer Benzindirekteinspritzung oder in einer Reduktionsmitteleinspritzung in Nachbehandlungssystemen (z.B. Flüssigharnstoffeinspritzventile in selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungen). Das Kraftstoffeinspritzsystem kann eine oder mehrere Einspritzdüsen umfassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Einspritzdüsen umfasst die Einspritzdüse der Erfindung jedoch einen Düsenkörper, eine Düsennadel und eine Düsenöffnung, wobei die Düsennadel in dem Düsenkörper angeordnet ist. Die Düsennadel kann in dem Düsenkörper so angeordnet werden, dass die Düsennadel zumindest teilweise von dem Düsenkörper geführt werden kann. Die Düsennadel ist dazu ausgebildet, die Einspritzöffnung zu öffnen und zu schließen, indem sie den Düsenkörper an einer Nadelspitze an einem axialen Ende der Düsennadel berührt. Gleichzeitig wird ein elektrischer Kontakt geschlossen (bzw. geöffnet), wenn die Düsennadel den Düsenkörper an dem axialen Ende der Düsennadel berührt. In diesem Sinne bildet die Düsennadel einen elektrischen Schalter (und dient damit nicht nur als hydraulisches Steuerelement), der in dem geschlossenen Zustand der Einspritzdüse geschlossen und in dem offenen Zustand der Einspritzdüse geöffnet ist. Somit entsteht ein elektrisches Signal, das präzise und unmittelbare Zeitinformationen über den Öffnungszustand der Düsenöffnung liefern kann.
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Zu diesem Zweck können der Düsenkörper und die Düsennadel elektrisch leitfähiges Material umfassen und/oder aus diesem bestehen. Der Düsenkörper und die Düsennadel können in einem offenen Zustand der Düsenöffnung elektrisch voneinander isoliert sein. Die Düsennadel kann beispielsweise durch eine isolierende Beschichtung oder dergleichen in radialer Richtung von dem Düsenkörper getrennt sein. Die Düsennadel kann jedoch an den axialen Enden unbeschichtet bleiben, insbesondere an der/den Kontaktstelle(n) mit dem Düsenkörper an der Düsenöffnung, um den elektrischen Kontakt mit dem Düsenkörper zu schließen.
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Weiterhin kann das Kraftstoffeinspritzsystem einen Steuerkolben umfassen, der dazu ausgebildet sein kann, die Düsennadel an einem axialen Ende in einer der Düsenöffnung entgegengesetzten axialen Richtung mechanisch und elektrisch zu kontaktieren. Während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzsystems können hydraulische Kräfte auf den Steuerkolben und die Düsennadel ausgeübt werden. So kann die Einspritzdüse beispielsweise ein Zweiwege-Magnetventil oder ein ähnliches Ventil umfassen, das zum Steuern eines auf die Düsennadel wirkenden Einspritzdruckes ausgebildet ist. Die entsprechenden hydraulischen Kräfte können auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Kraftstoffeinspritzsystems aufgebracht werden. Dadurch kann eine zuverlässige Funktionalität des Einspritzsystems gewährleistet werden. Der Steuerkolben kann über die hydraulischen Kräfte mechanisch mit der Düsennadel in Kontakt gebracht werden und auch basierend auf elektrisch leitenden Materialien des Steuerkolbens bzw. der Düsennadel elektrisch in Kontakt stehen. Der Steuerkolben kann wie die Düsennadel ebenfalls mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet sein.
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Zwischen der Düsennadel und dem Steuerkolben kann eine Einstellscheibe angeordnet werden. Die Einstellscheibe kann verwendet werden, um Toleranzen zwischen der Düsennadel und dem Steuerkolben auszugleichen und die Düsennadel elektrisch mit dem Steuerkolben zu kontaktieren. Die Einstellscheibe kann eine optionale Komponente des Kraftstoffeinspritzsystems sein. Durch die Verwendung der Einstellscheibe kann das Kraftstoffeinspritzsystem kostengünstig bereitgestellt werden.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem kann ferner einen Sender umfassen, welcher dazu ausgebildet sein kann, mit einer Einspritzregeleinrichtung zu kommunizieren, und welcher dazu ausgebildet sein kann, die Düsennadel über den Steuerkolben elektrisch zu kontaktieren. Mit anderen Worten kann der Sender in einem an den Steuerkolben angrenzenden Abschnitt angeordnet sein, wobei der Steuerkolben dazu ausgebildet sein kann, den Sender insbesondere elektrisch mit der Düsennadel zu verbinden. Das den geöffneten/geschlossenen Zustand bestimmende elektrische Signal kann innerhalb der Düsennadel und des Steuerkolbens von der Nadelspitze durch den Steuerkolben und von dort zu dem Sender übertragen werden. Die Anordnung aus Steuerkolben und Düsennadel bildet somit einen Stapel, der sich wie eine einzelne Metallstange verhält (die gegen Erde isoliert ist).
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Die Einspritzregeleinrichtung des Kraftstoffeinspritzsystems kann dazu ausgebildet sein, einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper über das von dem Sender erfasste elektrische Signal zu bestimmen. Oder allgemeiner gesagt, kann die Einspritzregeleinrichtung die tatsächliche Einspritzzeit der Einspritzdüse während der Einspritzung auf der Grundlage des elektrischen Signals messen. Das elektrische Signal kann beispielsweise ein zeitabhängiger Spannungspuls sein. Die Einspritzregeleinrichtung kann eine Motorsteuereinheit umfassen und/oder mit ihr gekoppelt sein und ferner dazu ausgebildet sein, den geöffneten Zustand und den geschlossenen Zustand zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper einzustellen. So kann unter anderem der Sender von der Einspritzregeleinrichtung überwacht und gesteuert werden. Die Einspritzregeleinrichtung kann eine adaptive Steuerlogik oder ein einzelnes mikroelektronisches System sein, das in einen Motor, insbesondere einen Diesel-Verbrennungsmotor oder einen Benzin-Direkteinspritzmotor, eines Fahrzeugs integriert ist. Die Einspritzregeleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, das Kraftstoffeinspritzsystem effizient zu betreiben. Mit anderen Worten kann die Einspritzregeleinrichtung dazu ausgebildet sein, eine Steuerung/Regelung (englisch: „closed/open loop control“) und/oder eine adaptive Vorsteuerung (englisch: „adaptive feed-forward control“) des Kraftstoffeinspritzsystems über eine präzise Düsennadelregelung zu kontrollieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, kann Messen der tatsächlichen Einspritzzeit Messen einer Einspritzstartzeit, einer Einspritzendzeit und/oder einer Einspritzdauer umfassen. Die Einspritzdauer kann der Zeitdauer einer einzelnen Einspritzung entsprechen, d.h. dem Intervall zwischen der Einspritzstartzeit und der Einspritzendzeit.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, kann das Verfahren ferner Berechnen einer tatsächlichen Einspritzmenge auf Basis der gemessenen tatsächlichen Einspritzzeit umfassen. Eine Abweichung der tatsächlichen Einspritzmenge von einer geplanten Einspritzmenge des Kraftstoffeinspritzsystems kann ausgewertet werden. Für einen gegebenen Einspritzdruck kann die Einspritzmenge berechnet werden, z.B. von einer gemessenen Einspritzdauer. Somit eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, die Einspritzmenge als auch die Einspritzzeit zu kontrollieren, z.B. innerhalb eines Regelkreises oder einer Vorsteuerung. Jegliche Abweichung zwischen der detektierten und der geforderten Einspritzmenge und der Einspritzzeit kann mittels entsprechender Steuerbefehlen überwacht und kompensiert werden. Die angewendeten Korrekturparameter und/oder angepassten Einspritzparameter können abgebildet und gespeichert werden, z.B. in einem nichtflüchtigen Speicher oder dergleichen. Somit können jeweilige Korrekturparameter sogar in Systemzuständen verwendet werden, wenn ein Regelkreis nicht möglich oder praktikabel wäre. Beispiele für eine derartige Situation können ein Kaltstart, extreme Umweltbedingungen, allgemeine schnelle Übergänge sein, d.h. Situationen, in welchen ein Regelkreis zu langsam, zu aufwendig oder unzureichend für eine effektive Steuerung wäre.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, können die Einspritzparameter Ventilbetätigungsparameter eines Einspritzventils der Einspritzdüse und/oder einen Einspritzdruck der Einspritzdüse umfassen. Das Einspritzventil kann beispielsweise ein elektromagnetisches/piezo/elektrohydrauliches Servoventil, ein Zweiwege-Magnetventil oder ähnliches Ventil sein, wie sie in Einspritzsystemen verwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, kann das Verfahren ferner Überwachen der gemessenen tatsächlichen Einspritzzeit umfassen. Das Verfahren kann ferner Speichern adaptiver Korrekturparameter umfassen, welche Anpassungen der Einspritzparameter in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Kraftstoffeinspritzsystems darstellen. Beispielsweise kann es nicht in allen Betriebssituationen, z.B. Motorzuständen, möglich sein, einen Regelkreis basierend auf Messungen der Einspritzzeit und entsprechender Anpassungen der Einspritzparameter zu fahren. In speziellen Fällen, z.B. steilen Übergängen, extremen Umweltbedingungen, Kaltstarts etc., kann eine Vorsteuerung/ein Steuerkreis vorteilhaft und effektiver sein. Um jederzeit die bestmögliche Dosierkorrektur zu gewährleisten, können die entsprechenden Korrekturparameter abgebildet und in einem Datenspeicher (z.B. einem nichtflüchtigen Speicher) gespeichert und während der Überwachung der Einspritzzeit kontinuierlich aktualisiert werden. Korrekturparameter können sogar auf Betriebszustände extrapoliert werden, die nicht aktiv überwacht wurden. Somit kann die Einspritzung korrigiert/kontrolliert werden, indem sowohl die adaptive Korrektur im Vorsteuerungsmodus als auch die Regelkorrektur im geschlossenen Regelkreis verwendet wird. Letztere kann auf normale Betriebszustände beschränkt sein, z.B. bei denen der Motor aufgewärmt ist und läuft.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, kann das Verfahren ferner Anwenden der adaptiven Korrekturparameter in einem Vorsteuerungsmodus des Kraftstoffeinspritzsystems umfassen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, kann das Verfahren ferner Bereitstellen eines Einspritzablaufplans umfassen, welcher eine geplante Einspritzzeit, eine geplante Einspritzmenge und/oder ein Einspritzschema aufeinanderfolgender Einspritzungen umfassen kann. Der Einspritzablaufplan kann von einer Einspritzregeleinrichtung des Systems bereitgestellt werden, z.B. eine Motorsteuereinheit. Neben einzelnen Einspritzungen kann der Einspritzablaufplan auch komplexere Einspritzschemata umfassen, einschließlich mehrerer aufeinanderfolgender Einspritzungen, welche sich in Zeitablauf und Menge unterscheiden können. Beispielsweise können zwei kleine Voreinspritzungen von einer größeren Haupteinspritzung gefolgt werden (wie es für Dieselfahrzeuge bekannt ist).
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, kann das Verfahren ferner Bereitstellen einer erwarteten Öffnungsverzögerung der Einspritzdüse, einer erwarteten Schließverzögerung der Einspritzdüse und eines vorbestimmten Plausibilitätsfensters jeweils um die erwartete Öffnungsverzögerung und die erwartete Öffnungsverzögerung umfassen. Das Verfahren kann ferner Bestimmen für jede Einspritzung umfassen, ob eine gemessene Einspritzstartzeit und eine gemessene Einspritzendzeit innerhalb des jeweiligen Plausibilitätsfensters auftreten. Die gemessene tatsächliche Einspritzzeit kann verworfen werden im Fall, dass die gemessene Einspritzstartzeit oder die gemessene Einspritzendzeit nicht innerhalb des jeweiligen Plausibilitätsfensters auftreten.
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So können beispielsweise eine erwartete Öffnungsverzögerung und eine erwartete Schließverzögerung von der Einspritzregeleinrichtung bereitgestellt werden und sich auf die Verzögerung zwischen der Betätigungs-/Aktivierungszeit eines Servoventils oder einer ähnlichen Vorrichtung und dem tatsächlichen Beginn/Ende der Einspritzung beziehen, d.h. der Zeit, in der tatsächlich Flüssigkeit eingespritzt wird. Charakteristische Öffnungs- und Schließverzögerungen können bekannt sein und in einem Datenspeicher der Einspritzregeleinrichtung gespeichert sein. Passt die gemessene Nadelöffnung/-schließung zum Plausibilitätsfenster, so wird die Messung als plausibel angesehen (d.h. die Abweichung von den erwarteten Werten ist nicht zu extrem) und zur Auswertung/Berechnung und Kontrolle der Einspritzdüse weiterverwendet. Wenn der gemessene Zeitablauf eine Abweichung von dem geplanten/erwarteten Zeitablauf aufweist, aber innerhalb des Fensters liegt, dann fährt das Verfahren fort, indem es die Einspritzdüse entsprechend kontrolliert, um die Abweichung zu korrigieren. Die erwartete Öffnungsverzögerung und die erwartete Schließverzögerung können sich über die Lebensdauer des Systems ändern und entsprechend angepasst werden. Insbesondere kann die Schließverzögerung in Abhängigkeit von verschiedenen Größen wie Druck, Temperatur, Einspritzdauer, Motorbetriebszustand, Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie und so weiter stark schwanken.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Figurenliste
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Erfindung vermitteln und bilden einen Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Sie veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und viele der genannten Vorteile der Erfindung ergeben sich im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes ausgeführt ist.
- 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Kraftstoffeinspritzsystems aus 1.
- 3 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit dem Kraftstoffeinspritzsystem aus 1.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems aus 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 5 zeigt ein weiteres Flussdiagramm des Verfahrens aus 4.
- 6 zeigt ein weiteres Flussdiagramm des Verfahrens aus 4.
- 7 bildet schematisch das Ergebnis einer Systemanpassung basierend auf dem Verfahren der 4 bis 6 ab.
- 8 bildet schematisch ein weiteres Ergebnis einer Systemanpassung basierend auf dem Verfahren der 4 bis 6 ab.
- 9 ist eine weitere schematische Ansicht des Kraftstoffeinspritzsystems aus 1.
- 10 ist eine weitere schematische Darstellung des Verfahrens aus 4 bis 6.
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Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben werden, wird dem Fachmann klar sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen die dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen deckt die Anmeldung sämtliche Anpassungen oder Variationen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ab.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 zeigt einen Abschnitt des Kraftstoffeinspritzsystems 10 aus 1 in einer perspektivischen Ansicht Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 kann in ein Kraftfahrzeug 100 mit einem Verbrennungsmotor 101 integriert sein, z.B. ein Dieselmotor, wie er beispielhaft in 3 gezeigt ist.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 zur Kraftstoffdosierung umfasst eine Einspritzdüse 1, welche eine Düsenkörper 2, eine Düsennadel 5 und eine Düsenöffnung 3 umfasst, wobei der Düsenkörper 2 dazu ausgebildet ist, die Düsennadel 5 innerhalb des Düsenkörpers 2 zu führen. Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 umfasst ferner einen Steuerkolben 4, welcher dazu ausgebildet ist, die Düsennadel 5 mechanisch und elektrisch in einer axialen Richtung entgegen der Düsenöffnung 3 zu kontaktieren. Der Steuerkolben 4 ist innerhalb eines Einspritzerkörpers 14 angeordnet. Der Kontakt zwischen der Düsennadel 5 und dem Steuerkolben 4 kann basierend auf hydraulischen Kräften F während dem Betrieb des Kraftstoffeinspritzsystems 10 aufrechterhalten werden. Die entsprechenden hydraulischen Kräfte F können auf zwei entgegengesetzten Seiten des Kraftstoffeinspritzsystems 10 appliziert werden (vgl. 2).
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Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 umfasst ferner einen Sender 9, welcher dazu ausgebildet ist, mit einer Einspritzregeleinrichtung 7 zu kommunizieren, und welcher dazu ausgebildet ist, die Düsennadel 5 über den Steuerkolben 4 elektrisch zu kontaktieren. Somit erfüllt der Steuerkolben 4 zusätzlich die Funktion einer Leitungsbrücke. Die Einspritzregeleinrichtung 7 des Kraftstoffeinspritzsystems 10 umfasst eine Signaleinheit 6, welche kommunikativ mit einer Motorsteuereinheit 11 des Verbrennungsmotors 101 gekoppelt ist. Die Signaleinheit 6 ist ferner an den Sender 9 als auch an die Einspritzerkomponenten innerhalb des Einspritzerkörpers 14 gekoppelt. Die Einspritzregeleinrichtung 7 ist dazu ausgebildet, eine geöffneten Zustand P1 und eine geschlossenen Zustand P2 zwischen der Düsennadel 5 und dem Düsenkörper 2 über ein elektrisches Signal zu bestimmen, welches von dem Sender 9 detektier oder bestimmt wird, wobei die Einspritzregeleinrichtung 7 dazu ausgebildet ist, den geöffneten Zustand P1 und den geschlossenen Zustand P2 einzustellen, indem die Berührungszeit oder vielmehr der Berührungszeitraum zwischen der Düsennadel 5 und dem Düsenkörper 2 in Korrelation mit einer Kraftstoffeinspritzmenge reguliert wird. Zu diesem Zweck kann das Kraftstoffeinspritzsystem 10 ein Servoventil oder ähnlich umfassen (nicht abgebildet), dessen Beätigung/Aktivierung (z.B. Betätigungsparameter) von der Einspritzregeleinrichtung 7 gesteuert wird, um die Einspritzdüse 1 zu öffne und zu schließen und/oder um einen Einspritzdruck der Einspritzdüse 1 einzustellen.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 ist zumindest teilweise innerhalb eines Zylinderkopfs 15 angeordnet, wobei der Sender 9 außerhalb des Zylinderkopfs 15 angeordnet ist. Der Zylinderkopf 15 kann Bestandteil einer entsprechenden Zylinderanordnung des Verbrennungsmotors 101 sein. Das Kraftstoffeinspritzsystem 10 umfasst einen Kraftstoffanschluss 13, welcher mit einer Kraftstoffversorgung verbunden ist (nicht abgebildet). Der Kraftstoffanschluss 13 umfasst eine Kraftstoffleitung 12, welche mit einem Kraftstoffversorgungsrohr verbunden sein kann (nicht abgebildet).
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2 zeigt eine vergrößerte schematische Sektionsansicht des Senders 9, der Einspritzregeleinrichtung 7, des Steuerkolbens 4 und der Düsennadel 5 innerhalb des Düsenkörpers 2. Eine Einstellscheibe 19 ist zwischen dem Steuerkolben 4 und der Düsennadel 5 angeordnet. Die Einstellscheibe 19 kann dazu verwendet werden, Toleranzen zwischen der Düsennadel 5 und dem Steuerkolben 4 auszugleichen. Der Steuerkolben 4 weist eine Kontaktfläche 17 auf, wobei der Sender 9 die Kontaktfläche 17 elektrisch über ein Kontaktelement 16 kontaktiert. Die Kontaktfläche 17 hat einen kleineren Durchmesser als die anliegenden Bereiche des Steuerkolbens 4, sodass die Kontaktfläche 17 als Übergangsbereich zwischen den unterschiedlichen Abschnitten des Steuerkolbens 4 fungiert. Der Übergangsbereich kann dazu genutzt werden, das Kontaktelement 16 an seine vorbestimmte Position an dem Steuerkolben 4 zu führen. Beispielsweise kann das Kontaktelement 16 einen Federstahl umfassen und kann ein Draht sein.
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Eine radiale Oberfläche der Düsennadel 5, der Einstellscheibe 19 und dem Steuerkolben 4 sind mit einer elektrischen Isolierung 18 beschichtet. Lediglich die Kopfenden der Düsennadel 5 an beiden axialen Enden (vgl. die Schraffur in 2) und die Kontaktfläche 17 (sowie die axialen Kopfflächen der Einstellscheibe 19) sind nicht beschichtet, um eine elektrische Verbindung zwischen dem distalen axialen Ende 8 der Düsennadel 5 und dem Sender 9 bereitzustellen. Wenn die Düsennadel 5 den Düsenkörper 2 mechanisch an der Düsenöffnung 3 kontaktiert, wird ein elektrischer Kreis geschlossen und ein elektrisches Signal wird erzeugt, welches dann von dem Sender 9 erfasst und an die Einspritzregeleinrichtung 7 weitergeleitet wird. Das elektrische Signal wird anschließend zur Steuerung der Einspritzdüse 1 verwendet, wie im Folgenden mit Bezug auf die 4 bis 10 erläutert wird.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens M zum Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems 10 auf 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Das Verfahren M umfasst unter M0 Bereitstellen eines Einspritzablaufplans umfassend eine geplante Einspritzzeit, eine geplante Einspritzmenge und/oder ein Einspritzschema aufeinanderfolgender Einspritzungen. Beispielsweise können die entsprechenden Informationen von der Signaleinheit 6 aus der Motorsteuereinheit 11 ausgelesen werden. Jede Motorkalibrierung hat ihre individuelle Einspritzstrategie hinsichtlich Einspritzschema und Einspritzzeit sowie hinsichtlich der Einspritzmenge. Eine Zeitangabe der Motorsteuereinheit kann eine Grundlage für eine Zuordnung von Einspritzstart und Einspritzende bilden. Neben einzelnen Einspritzungen kann der Einspritzablaufplan kann zudem komplexere Einspritzschemata umfassen, einschließlich mehrere aufeinanderfolgender Einspritzungen, welche sich hinsichtlich Zeitablauf und Menge unterscheiden können. Beispielsweise können zwei kleine Voreinspritzungen von einer größeren Haupteinspritzung gefolgt werden, wie es für Dieselmotoren bekannt ist. Die Signaleinheit 6 kann wiederum das elektrische Signal an die Motorsteuereinheit 11 zur weiteren Erfassung, Prozessierung und Auswertung weiterleiten. 9 zeigt ein Beispiel, in welchem mehrere Einspritzdüsen 1 bereitgestellt sind, von denen jede mit der Signaleinheit 6 über entsprechende Daten-/Signalleitungen 27 verbunden ist, z.B. ein Draht. Die Signaleinheit 6 kann ebenfalls mit der Motorsteuereinheit 11 über Daten-/Signalleitungen 27 verbunden sein. In dem Beispiel in 9 werden lediglich zwei Daten-/Signalleitungen 27 verwendet, um die Signaleinheit 6 mit der Motorsteuereinheit 11 zu verbinden, sodass Hardwarekomponenten reduziert werden und das System vereinfacht wird. Die Motorsteuereinheit 11 kann dazu ausgebildet sein, die elektrischen Signale von der Einspritzdüse 1 auszuwerten und zu analysieren. Die Signaleinheit 6 kann die rohen (analogen) Signale empfangen und diese zur weiteren Prozessierung durch die Motorsteuereinheit 11 aufbereiten, z.B. durch Filtern und/oder Verstärken des elektrischen Signals.
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Das Verfahren M umfasst ferner unter M1 Messen einer tatsächlichen Einspritzzeit der Einspritzdüse 1 während der Einspritzung auf Basis des elektrischen Signals. Dies kann beispielsweise Messen einer Einspritzstartzeit, einer Einspritzendzeit und/oder einer Einspritzdauer der Einspritzdüsen 1 umfassen. Zu diesem Zweck kann ein Rohsignal 21 zu einem gefilterten Signal 22 gefiltert und verstärkt werden (vgl. 4).
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Wie nun mit Bezug auf 10 erläutert wird, stellt das Verfahren ferner unter M0 eine erwartete Öffnungsverzögerung OD der Einspritzdüse 1, eine erwartete Schließverzögerung CD der Einspritzdüse 1 und ein vorbestimmtes Plausibilitätsfenster W jeweils um die erwartete Öffnungsverzögerung OD und die erwartete Öffnungsverzögerung CD bereit. Diese Werte können beispielsweise von der Motorsteuereinheit 11 bereitgestellt werden und/oder können in einer Datenablage 25 des Kraftstoffeinspritzsystems 10 gespeichert sein (vgl. 4), z.B. in der Signaleinheit 6. Derartige Verzögerungen treten aufgrund verschiedener Gründe und unter unterschiedlichen Systemzuständen auf und können von Druck, Temperatur usw. abhängen.
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Unter anderem zeigt 10 in der oberen Reihe einen Betätigungsstrom I der Einspritzdüse 1 als Funktion der Zeit t. Wie man sehen kann, weist das Einspritzschema zwei Voreinspritzungen gefolgt von einer längeren Haupteinspritzung auf. Die zweite Reihe zeigt die entsprechende Einspritzrate R als Funktion der Zeit, wobei die Fläche unter der entsprechenden Kurve die Einspritzmenge A darstellt. Wie dort sichtbar ist, gibt es eine Verzögerung zwischen der Öffnung sowie der Schließung der Einspritzdüse 1. Die letzten beiden Reihen in 10 demonstrieren zwei beispielhafte Messungen des elektrischen Signals, welches in Form eines Spannungspulses U gemessen wird. Die obere Messung ist wie erwartet, d.h. die Spannungspulse starten und enden mehr oder weniger exakt an den erwarteten Zeitpunkten der Öffnungsverzögerung OD und der Schließverzögerung CD (siehe dritte Reihe in 10). Allerdings sind die Spannungspulse im Fall der zweiten Messung (vierte Reihe in 10) stärker verzögert als aufgrund der Öffnungsverzögerung OD und der Schließverzögerung CD erwartet, d.h. eine Abweichung x wird gemessen. Somit verhält sich der Zeitablauf des Kraftstoffeinspritzsystems 10 nicht wie erwartet. Allerdings können jegliche Abweichungen x jetzt sehr präzise gemessen werden, die gewonnenen Informationen können dazu verwendet werden, das Kraftstoffeinspritzsystem 10 in geeigneter Weise zu regeln und zu korrigieren.
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Das Verfahren M umfasst unter M2 ferner Bestimmen für jede Einspritzung, ob eine gemessene Einspritzstartzeit und eine gemessene Einspritzendzeit innerhalb des jeweiligen Plausibilitätsfensters W auftreten. Die gemessene tatsächliche Einspritzzeit wird verworfen im Fall, dass die gemessene Einspritzstartzeit oder die gemessene Einspritzendzeit nicht innerhalb des jeweiligen Plausibilitätsfensters W auftreten. In diesem Fall wird die Messung als unplausibel gewertet, da die Abweichungen zu groß sind. Entsprechende Ränder um die Plausibilitätsfenster W, auf deren Basis Messungen verworfen werden können oder nicht, werden in 10 mittels linear schraffierten Bereichen um einen punktiert schraffierten Bereich des Plausibilitätsfensters W herum veranschaulicht. Diese Vorgehensweise kann für jedes Einspritzereignis wiederholt werden, d.h. Vor- als auch Haupt- und Nacheinspritzungen, für Öffnen und Schließen der Einspritzdüsen 1. Breite und Ränder des Plausibilitätsfensters W können getrennt als Funktion eines Betriebszustands des Kraftstoffeinspritzsystems 10 kalibriert werden.
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Entsprechend umfasst das Verfahren M unter M3 ferner Auswerten einer Abweichung der tatsächlichen Einspritzzeit von einer geplanten Einspritzzeit des Kraftstoffeinspritzsystems 10. Das Verfahren M umfasst ferner unter M4 Berechnen einer tatsächlichen Einspritzmenge auf Basis der gemessenen tatsächlichen Einspritzzeit. Hierbei kann eine Abweichung der tatsächlichen Einspritzmenge von einer geplanten Einspritzmenge des Kraftstoffeinspritzsystems 10 ausgewertet werden. Das Verfahren M umfasst unter M5 ferner Steuern der Einspritzdüse 1 durch Anpassen von Einspritzparametern 23 der Einspritzdüse 1 in Abhängigkeit von der ausgewerteten Abweichung. Die angepassten Einspritzparameter 23 können unter anderem Ventilbetätigungsparameter eines Einspritzventils der Einspritzdüse 1 und einen Einspritzdruck der Einspritzdüse 1 umfassen. Somit können die notwendigen Korrekturen in Form von Betätigungsbefehlen 24 des Ventilsystems der Einspritzdüse 1 ausgeführt werden (siehe 4).
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Somit kann das Verfahren M, wie in 4 gezeigt wird, einen Regelkreis bereitstellen, welcher es der Einspritzregeleinrichtung 7 ermöglicht, Mängel und/oder Diskrepanzen in der Einspritzzeit und/oder der Einspritzmenge zu korrigieren. Da jegliche Abweichungen in situ und in Echtzeit gemessen werden, kann das gezeigte Verfahren M dazu verwendet werden, den Kraftstoffeinspritzprozess auf sehr präzise Weise zu kontrollieren.
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Allerdings muss ein derartiger Regelkreis nicht für jede Fahrsituation und/oder jeden Motorzustand geeignet oder praktikabel sein. In besonderen Fällen, z.B. schnellen Übergängen, kann eine einfachere und robustere Vorsteuerung genügen. In diesem Sinne zeigt 6 die Drehzahl-Drehmoment Kennlinie eines typischen Motors, welche das Drehmoment τ gegen die Drehzahl n abbildet. Der äußere Kasten stellt den gesamten Betriebsbereich des entsprechenden Motors dar, während der innere gestrichelte Kasten den begrenzten Bereich der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie darstellt, in dem ein Regelmodus CLM praktikabel sein kann. Ein Vorsteuerungsmodus FFM hingegen kann grundsätzlich über den gesamten Betriebsbereich des Motors gefahren werden.
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Das Verfahren M kann entsprechend unter M6 Überwachen der gemessenen tatsächlichen Einspritzzeit und unter M7 Speichern adaptiver Korrekturparameter 26 umfassen, welche Anpassungen der Einspritzparameter in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Kraftstoffeinspritzsystems 10 darstellen (vgl. 6). Beispielsweise können die adaptiven Korrekturparameter 26 in der Datenablage 25 des Kraftstoffeinspritzsystems 10 als adaptive Korrekturkarten abgespeichert werden. Anschließend kann das Verfahren M unter M8 Anwenden der adaptiven Korrekturparameter 26 in einem Vorsteuerungsmodus FFM des Kraftstoffeinspritzsystems 10 umfassen. Somit können die adaptiven Korrekturparameter 26 lediglich dann gespeichert werden, wenn der Regelmodus CLM aktiviert ist (z.B. in grob 70% des gesamten Betriebsbereichs). Allerdings können diese innerhalb des Vorsteuerungsmodus FFM sogar dann verwendet werden, wenn der Regelmodus CLM unpraktikabel, unmöglich und/oder ausgestellt ist.
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7 zeigt ein Beispiel, in welchem die adaptiven Korrekturparameter 26 innerhalb des Vorsteuerungsmodus FFM angewendet werden, um die Einspritzmenge A näher an einen vorgegebenen Wert zu bringen (gestrichelte Linie). 8 zeigt ein Beispiel, in welchem die adaptiven Korrekturparameter 26 zunächst in dem Vorsteuerungsmodus FFM angewendet (oder nicht angewendet) werden (CLM aus, links in 8). Nachdem der Regelmodus CLM aktiviert wurde, konvergiert die Einspritzmenge A schnell gegen den vorgegebenen Wert. Dies geschieht viel schneller als im Fall, dass die adaptiven Korrekturparameter 26 in dem Vorsteuerungsmodus FFM angewendet wurden.
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Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Lösung zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit reduziertem Emissions- und Geräuschniveau sowie höherer Zeit- und Kosteneffizienz zur Verfügung.
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In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, nicht jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein.
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Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspritzdüse
- 2
- Düsenkörper
- 3
- Düsenöffnung
- 4
- Steuerkolben
- 5
- Düsennadel
- 6
- Signaleinheit
- 7
- Einspritzregeleinrichtung
- 8
- axiales Ende
- 9
- Sender
- 10
- Kraftstoffeinspritzsystem
- 11
- Motorsteuereinheit
- 12
- Kraftstoffleitung
- 13
- Kraftstoffanschluss
- 14
- Einspritzerkörper
- 15
- Zylinderkopf
- 16
- Kontaktelement
- 17
- Kontaktfläche
- 18
- Isolierung
- 19
- Einstellscheibe
- 20
- eingespritzter Kraftstoff
- 21
- Rohsignal
- 22
- gefiltertes Signal
- 23
- angepasste Einspritzparameter
- 24
- Betätigungsbefehle
- 25
- Datenablage
- 26
- adaptive Korrekturparameter
- 27
- Daten-/Signalleitung
- 100
- Kraftfahrzeug
- 101
- Verbrennungsmotor
- F
- hydraulische Kraft
- OD
- Öffnungsverzögerung
- CD
- Schließverzögerung
- W
- Plausibilitätsfenster
- A
- Einspritzmenge
- I
- Betätigungsstrom
- U
- Signalspannung
- R
- Einspritzrate
- t
- Zeit
- τ
- Drehmoment
- n
- Drehzahl
- x
- Abweichung
- FFM
- Vorsteuerungsmodus
- CLM
- Regelmodus
- P1
- geöffneter Zustand
- P2
- geschlossener Zustand
- M
- Verfahren
- M0-M8
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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