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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem
Verfahren oder von einer Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung
der Bewegung eines Stellventils eines elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils,
insbesondere einer Pumpe-Düse-Einheit einer Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 100 38 995 A1 ist eine
sogenannte Pumpe-Düse-Einheit bekannt,
die als Kraftstoffeinspritzventil bei einer Brennkraftmaschine insbesondere
eines Kraftfahrzeugs zur Anwendung kommt. Diese Pumpe-Düse-Einheit
weist ein Stellventil auf, dessen Stellung die Stellung einer Düsennadel
einer Einspritzdüse
beeinflusst. Ein mit dem Stellventil gekoppeltes Stellglied wird
derart mit einem Strom beaufschlagt, dass sich die Düsennadel der
Einspritzdüse
von einer ersten in eine zweite Endposition bewegt und dort gehalten
wird. In der zweiten Endposition ist die Einspritzdüse geöffnet und
es wird Kraftstoff in die Brennkraftmaschine eingespritzt. Durch
Federkraft wird die Düsennadel
wieder von der zweiten in Richtung zu der ersten Endposition zurückbewegt,
um die Einspritzdüse
zu schließen.
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Düsennadel in die geschlossene
Endstellung bewegt, wird als Absteuerrate bezeichnet.
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Die Absteuerrate beeinflusst den
Kraftstoffverbrauch, die Geräuschbildungen
und die Abgasemissionen. So soll die Absteuerrate einerseits möglichst
groß sein,
um damit den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen zu vermindern.
Eine große Absteuerrate
kann jedoch zu erhöhten
Geräuschbildungen
aufgrund der Bildung von Kavitationen innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils
führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem der Kraftstoffverbrauch
sowie die Geräusch-
und Abgasemissionen vermindert werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach
dem Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 7
gelöst.
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Erfindungsgemäß wird das Stellglied derart mit
einem Strom beaufschlagt, dass das Stellventil nach dem Schließen der
Einspritzdüse
einen Zwischenzustand zwischen seinem geschlossenen Zustand und
seinem geöffneten
Zustand einnimmt. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Maßnahme die Geräuschbildungen
vermindert werden, ohne dass dies einen negativen Einfluss auf den
Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen hat.
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Der erfindungsgemäße Zwischenzustand des Stellventils
wird erst nach dem Schließen
der Einspritzdüse
eingenommen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die hohe Absteuerrate
zum Schließen der
Einspritzdüse
erhalten bleibt. Die daraus resultierende Verminderung des Kraftstoffverbrauchs
und der Abgasemissionen bleibt somit ebenfalls erhalten.
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Durch den nach dem Schließen der
Einspritzdüse
erfindungsgemäß erzwungenen
Zwischenzustand des Stellventils wird erreicht, dass nunmehr die
Absteuerrate vermindert wird. Die Geschwindigkeit, mit der sich
der Druck in dem Kraftstoffeinspritzventil vermindert, ist somit
nach dem Schließen
der Einspritzdüse
erfindungsgemäß vermindert.
Dies hat zur Folge, dass sich Kavitationen oder dergleichen in dem
Kraftstoffeinspritzventil nicht mehr ohne weiteres bilden können. Dies
bringt den Vorteil mit sich, dass mögliche Geräuschbildungen aufgrund derartiger
Kavitationen erfindungsgemäß verhindert
werden.
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Die Bewegung der Düsennadel
des Kraftstoffeinspritzventils wird durch das Stellventil beeinflusst,
wobei das Stellventil seinerseits von dem das Stellglied beaufschlagenden
Strom beeinflusst wird. Insgesamt ist damit die Bewegung der Düsennadel abhängig von
dem dem Stellglied zugeführten
Strom. Dies bedeutet, dass die Absteuerrate, also die Geschwindigkeit,
mit der sich der Druck in dem Kraftstoffeinspritzventil vermindert, über den
zugeführten Strom
variabel eingestellt und zusätzlich
auch gesteuert und/oder geregelt werden kann.
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Weiter e. Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie
unabhängig
von ihrer Formulierung und Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Steuerung und/oder Regelung der Bewegung eines Stellventils
eines elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine,
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Zeitdiagramms des Stroms, mit
ein mit dem Stellventil der 1 gekoppeltes
Stellglied beaufschlagt wird, und
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3 zeigt
eine schematische Darstellung dreier Zeitdiagramme im Zusammenhang
mit der Vorrichtung der 1.
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In der 1 ist
eine sogenannte Pumpe-Düse-Einheit 10 dargestellt.
Diese Pumpe-Düse-Einheit 10 ist
einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs zugeordnet
und dient der Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der
Brennkraftmaschine.
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Die Pumpe-Düse-Einheit 10 weist
ein Stellventil 11 auf, das zwischen einem Kraftstoffzulauf 12 und
einer Kraftstoffleitung 13 angeordnet ist. Über den
Kraftstoffzulauf 12 wird der Kraftstoff üblicherweise
mit einem Niederdruck zugeführt.
In der Kraftstoffleitung 13 kann – wie ausgeführt werden
wird – der
Kraftstoff auch mit einem Hochdruck vorhanden sein.
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Bei geschlossenem Stellventil 11 und
der vorgenannte Hochdruck in der Kraftstoffleitung 13 mit Hilfe
eines Pumpenkolbens 14 erreicht, der in einem Pumpenraum 15 beweglich
angeordnet ist. Über
die Kraftstoffleitung 13 ist der Pumpenraum 15 mit
einer Einspritzdüse 16 verbunden.
Die Einspritzdüse 16 weist
eine Düsenfeder 17 und
eine Düsennadel 18 auf.
Der Düsennadel 18 ist
einer Einspritzöffnung 19 zugeordnet, über die
der Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt
werden kann.
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Steigt der Druck in der Kraftstoffleitung 13 an,
so wird die Düsennadel 18 entgegen
der Federkraft der Düsenfeder 17 bewegt
und die Einspritzöffnung 19 wird
auf diese Weise freigegeben. Es erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff über die
Einspritzöffnung 19.
Ist der Druck in der Kraftstoffleitung 13 jedoch gering,
so erfolgt keine Verschiebung der Düsennadel 18 gegen
die Federkraft der Düsenfeder 17.
Statt dessen bleibt die Einspritzöffnung 19 aufgrund
der Federkraft der Düsenfeder 17 durch
die Düsennadel 18 verschlossen.
Es erfolgt keine Einspritzung von Kraftstoff.
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Der Druck in der Kraftstoffleitung 13 kann
mit Hilfe des Stellventils 11 verändert werden. Ist das Stellventil 11 geschlossen,
so kann von dem Pumpenkolben 19 ein hoher Druck in der
Kraftstoffleitung 13 aufgebaut und damit eine Einspritzung
von Kraftstoff erreicht werden. Ist hingegen das Stellventil 11 geöffnet, so
kann in der Kraftstoffleitung 13 kein hoher Druck aufgebaut
werden.
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Das Stellventil 11 ist über eine
mechanische Verbindung 20 mit einem Stellelement 21 verbunden. Das
Stellelement 21 ist dazu geeignet, über die Verbindung 20 das
Stellventil
11 zu beeinflussen. Insbesondere ist das Stellelement 21 dazu
vorgesehen, das Stellventil 11 zwischen einem geschlossenen und
einem geöffneten
Zustand hin- und herzuschalten.
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Das Stellventil 11 und das
Stellelement 21 bilden zusammen ein Magnetventil. Bei dem
Stellventil 11 handelt es sich beispielsweise um eine Ventilnadel
und bei dem Stellelement 21 um eine von einem Strom beaufschlagbare
Magnetspule.
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Das Stellelement 21 ist
mit einem Steuergerät 22 verbunden.
Von dem Steuergerät 22 kann
ein Strom IMV erzeugt und dem Stellelement 21 zugeführt werden.
In Abhängigkeit
von diesem Strom IM
V kann das
Stellventil 11 zwischen seinem geschlossene und seinem
geöffneten
Zustand hin- und hergeschaltet werden.
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In dem Stellventil 11 sind
Mittel, z.B. eine Feder enthalten, die das Stellventil 11 ohne
eine sonstige Einwirkung in seinen geöffneten Zustand versetzen.
Der Strom IM
M ist
dazu vorgesehen und geeignet, das Stellventil 11 gegen
die Kraft der erwähnten Feder
zu schließen.
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Bei dem Steuergerät 22 kann es sich
beispielsweise um einen digitalen, programmgesteuerten Mikroprozessor
handeln.
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In der 1 befindet
sich die Düsennadel 18 in
einer ersten Endposition. In dieser ersten Endposition ist die Einspritzöffnung 19 durch
die Düsennadel 18 verschlossen.
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Wie erläutert wurde, wird die Düsennadel 18 bei
einem hohen Druck in der Kraftstoffleitung 13 entgegen
der Federkraft der Düsenfeder 17 verschoben. Diese
Bewegung der Düsennadel 18 wird
dadurch begrenzt, dass die Düsennadel 18 mit
einer Stirnfläche 23 an
einem Vorsprung 24 der Einspritzdüse 16 anschlägt. Dies
stellt eine zweite Endposition der Düsennadel 18 dar. In
dieser zweiten Endposition ist die Einspritzöffnung 19 geöffnet.
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Wie erläutert wurde, ist es für den Übergang der
Düsennadel 18 von
der ersten in die zweite Endposition erforderlich, dass in der Kraftstoffleitung 13 ein
hoher Druck aufgebaut wird. Hierzu ist es wiederum erforderlich,
dass das Stellventil 11 geschlossen ist. Zu diesem Zweck
wird das aus Stellventil 11 und Stellelement 21 bestehende
Magnetventil von dem Steuergerät 22 mit
dem Strom IMV beaufschlagt.
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Wie ebenfalls bereits erläutert wurde,
ist es für
den Übergang
der Düsennadel 18 von
der zweiten in die erste Endposition erforderlich, dass in der Kraftstoffleitung 13 kein
hoher Druck mehr vorhanden ist. Dies wird dadurch erreicht, dass
das Stellventil 11 geöffnet
wird. Zu diesem Zweck wird das aus dem Stellventil 11 und
dem Stellelement 21 bestehende Magnetventil stromlos geschaltet.
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In der 2 ist
der dem Stellelement 21 des Magnetventils zugeführte Strom
IMV über
der Zeit t dargestellt.
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Während
einer Zeitdauer al wird das Stellelement 21 derart mit
einem Strom IM
V beaufschlagt, dass
das Stellventil 11 in jedem Fall geschlossen wird. Bei
dem Strom IM
V handelt
es sich dabei im wesentlichen um einen einzelnen Stromimpuls, dessen Stromstärke auf
einen Maximalwert begrenzt ist. Der Maximalwert ist dabei derart
gewählt,
dass der vorgenannte Stromimpuls in der Lage ist, das Stellventil 11 sicher
gegen die Kraft der in dem Stellventil 11 vorhandenen Feder
zu schließen.
Aufgrund des geschlossenen Stellventils 11 baut sich in
der Kraftstoffleitung 13 ein hoher Druck auf, der wiederum
zur Folge hat, dass die Düsennadel 18 sich
von der ersten in die zweite Endposition bewegt. Die Einspritzdüse 16 ist
geöffnet.
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Während
einer Zeitdauer a2 wird der das Stellelement 21 beaufschlagende
Strom IM
V derart auf
einem erniedrigten Niveau getaktet, dass das Stellventil 11 sicher
geschlossen bleibt. Zu diesem Zweck kann der getaktete Strom IM
V gesteuert und/oder
geregelt werden.
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Auf diese Weise wird gewährleistet,
dass das Stellventil 11 sicher geschlossen und damit der
hohe Druck in der Kraftstoffleitung 13 sicher aufrecht
erhalten bleibt. Die Düsennadel 18 verbleibt
damit in ihrer zweiten Endposition, so dass die Einspritzdüse 16 in ihrem
geöffneten
Zustand verbleibt, in dem Kraftstoff über die Einspritzöffnung 19 eingespritzt
wird.
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In einer nachfolgenden Zeitdauer
a3 wird das Stellelement 21 und damit das Magnetventil
stromlos geschaltet. Dies bedeutet, dass der Strom IM
V entsprechend der 2 Null ist. Dies hat zur Folge, dass
das Stellventil 11 damit beginnt, in seinen geöffneten
Zustand überzugehen.
Dies wird durch die Feder bewirkt, die in dem Stellventil 11 vorhanden
ist.
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Die Zeitdauer a3 ist derart gewählt, dass
das Stellventil 11 – wie
gesagt – nur
damit beginnt, von seinem geschlossenen in seinen geöffneten
Zustand überzugehen.
Während
dieses Übergangs
endet die Zeitdauer a3 und es folgt eine weitere Zeitdauer b1.
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Während
der Zeitdauer b1 wird das Stellelement 21 des Magnetventils
mit einem Strom IM
V beaufschlagt,
mit dem der vorgenannte Übergang
des Stellventils 11 von seinem geschlossenen in seinen geöffneten
Zustand abgebremst wird. Zu diesem Zweck wird das Stellelement 21 von
dem Steuergerät 22 mit
einem Strom IM
V beaufschlagt,
bei dem es sich im wesentlichen um einen einzelnen Stromimpuls handelt.
Dies ist entsprechend in der 2 dargestellt.
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Der Strom IM
V des einzelnen Stromimpulses besitzt dabei
einen Maximalwert, der derart gewählt ist, dass der vorgenannte Übergang
des Stellventils 11 von seinem geschlossenen in seinen
geöffneten Zustand
sicher abgebremst wird, ohne dass durch die Abbremsung bereits eine
Gegenbewegung in Richtung eines erneuten Schließens des Stellventils 11 entsteht.
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Während
einer nachfolgenden Zeitdauer b2 wird das Stellelement 21 des
Magnetventils stromlos geschaltet. Dies bedeutet, dass der Strom
IM
V, der von dem
Steuergerät 22 auf
das Stellelement 21 einwirkt, Null ist. Während dieser
Zeitdauer b2 findet eine Stabilisierung des Stellventils 11 statt.
Die Zeitdauer b2 ist dabei derart gewählt, dass der Übergang des
Stellventils 11 sicher abgebremst wird, und dass das Stellventil 11 in
diesem abgebremsten Zustand stabil verbleibt.
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Während
einer nachfolgenden Zeitdauer b3 wird das Stellelement 21 des
Magnetventils mit einem Strom IM
V beaufschlagt, wie dies in der 2 dargestellt ist. Bei dem
Strom IM
V handelt
es sich während
der Zeitdauer b3 um einen auf einem niedrigen Niveau getakteten
Strom. Dieser getaktete Strom ist dabei derart gewählt, dass
das Stellventil 11 stabil in dem vorgenannten abgebremsten
Zustand verbleibt. Zu diesem Zweck kann der getaktete Strom IM
V während der
Zeitdauer b3 gesteuert und/oder geregelt werden.
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Insgesamt hat dies zur Folge, dass
der Übergang
des Stellventils 11 von seinem geschlossenen in seinen
geöffneten
Zustand während
der beiden Zeitdauern b1 und b2 abgebremst wird, um danach während der
Zeitdauer b3 diesen abgebremsten Zustand stabil aufrecht zu erhalten.
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In dem vorgenannten abgebremsten
Zustand des Stellventils 11 ist dasselbe nicht mehr vollständig geschlossen,
jedoch auch noch nicht vollständig
geöffnet.
Es handelt sich somit um einen Zwischenzustand des Stellventils 11.
Dies ist in der 3 dargestellt.
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Gegebenenfalls ist es möglich, dass
auf die speziellen Ansteuerungen des Stromes IM
V während der
Zeitdauer b1 und/oder b2 verzichtet werden kann und statt dessen
das Stellelement 2l mit einem Strom IM
V beaufschlagt wird, wie er in der Zeitdauer
b3 angegeben ist.
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In der 3 ist
in dem oberen Diagramm nochmals der Strom IM
V gezeigt, wie er bereits im Zusammenhang
mit der 2 erläutert worden
ist. In dem mittleren Diagramm ist der Hub HM
V aufgetragen. Bei diesem Hub kann es sich
beispielsweise um den Hub des beweglichen Teiles des Stellglieds 21 handeln.
Bei dem Magnetventil, von dem in der 1 ausgegangen
wird, kann es sich bei dem beweglichen. Teil des Stellglieds 21 beispielsweise
um einen Anker handeln, der innerhalb des Stellglieds 21 vorhanden
ist und der von einer Wicklung umgeben ist, die von dem Strom IM
V beaufschlagt wird.
Dieser Hub HM
V des
Ankers des Stellglieds 21 wird dann über die mechanische Verbindung 20 auf
das Stellventil 11, und zwar auf die Ventilnadel übertragen,
und bewirkt dort das Öffnen
und Schließen
des Stellventils 11.
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Wie sich aus einer Zusammenschau
des oberen und des mittleren Diagramms der 3 ergibt, befindet sich das Stellventil 11 in
dem Zeitbereich a, der sich im wesentlichen aus den Zeitdauern a1,
a2, a3 zusammensetzt, in seinem geschlossenen Zustand. Dies ist
in dem mittleren Diagramm der 3 als
Zustand S gekennzeichnet. In dem nachfolgenden Zeitbereich b, der
sich im wesentlichen aus den Zeitdauern b1, b2, b3 zusammensetzt,
befindet sich das Stellventil 11 in dem vorstehend beschriebenen
Zwischenzustand. Dieser Zwischenzustand ist in der 3 als Zustand Z gekennzeichnet. Erst
nachdem in dem nachfolgenden Zeitbereich c das Stellglied 21 des
Magnetventils stromlos geschaltet wird, geht das Stellventil 11 in
seinen geöffneten
Zustand über,
der in dem mittleren Diagramm der 3 als Zustand
0 gekennzeichnet ist.
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Der Zwischenzustand Z stellt damit
einen echten Zwischenzustand zwischen dem geschlossenen Zustand
S und dem geöffneten
Zustand 0 des Stellventils 11 dar. In diesem Zwischenzustand
Z ist also das Stellventil 11 weder vollständig geschlossen,
noch vollständig
geöffnet.
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Dies hat zur Folge, dass der hohe
Druck in der Kraftstoffleitung 13 aufgrund des Zwischenzustands
Z des Stellventils 11 nicht abrupt abfällt, sondern in Abhängigkeit
von dem Zwischenzustand Z, also letztlich in Abhängigkeit von dem Hub HM
V des Stellglieds 21 langsam
absinkt.
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Dies ist in dem unteren Diagramm
der 3 dargestellt. In
diesem unteren Diagramm ist der Druck P aufgezeichnet, mit dem der
Kraftstoff von der Pumpe-Düse-Einheit 10 über die
Einspritzöffnung 19 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dieser Druck
P entspricht letztlich dem Druck in der Kraftstoffleitung 13.
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Wie aus dem unteren Diagramm der 3 hervorgeht, steigt der
Druck in der Kraftstoffleitung 13 im Zeitbereich a an.
Dies ist eine Folge des geschlossenen Stellventils 11.
Die Düsennadel 18 der
Einspritzdüse 16 wird
geöffnet.
Im Zeitbereich b fällt
der Druck P ab. Dies ist eine Folge des Öffnens des Stellventils 11.
Die Düsennadel 18 der
Einspritzdüse 1b geht
in eine Schließbewegung über.
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Die Geschwindigkeit des Abbaus des
Drucks P in der Kraftstoffleitung 13 im Zeitbereich b und
damit die Geschwindigkeit der Schließbewegung der Düsennadel 18 der
Einspritzdüse 16 wird
als Absteuerrate bezeichnet.
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Es ist im Hinblick auf eine Kraftstoff-
und Abgasreduktion vorgesehen, wenn die Absteuerrate so lange möglichst
groß ist,
bis die Einspritzdüse 16 geschlossen
ist. Diese Schließbewegung
soll also möglichst
schnell erfolgen, was gleichbedeutend ist mit einem möglichst
großen
Abfall des Drucks P. Dies ist in dem unteren Diagramm der 3 vor dem Zeitpunkt TZ der
Fall.
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In diesem Bereich vor dem Zeitpunkt
TZ ist das Stellglied 21 im wesentlichen noch nicht abgebremst
und befindet sich deshalb noch nicht in seinem stabilen Zwischenzustand
Z. Dies ist dem mittleren Diagramm der 3 zu entnehmen.
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Sobald die Einspritzdüse 16 jedoch
geschlossen ist, ist es jedoch vorgesehen, die Absteuerrate zu vermindern.
Damit wird erreicht, dass mögliche
Kavitationen, die bei geschlossener Einspritzdüse 16 und bei hohem
Druck insbesondere im Bereich der Kraftstoffleitung 13 entstehen
können,
vermieden werden. Mit diesen Kavitation auftretende Geräuschbildungen
können
dann ebenfalls vermieden werden.
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In dem Zeitpunkt TZ der 3 ist die Einspritzdüse 16 aufgrund
des bereits stark abgefallenen Drucks P sicher verschlossen. Die
Einspritzung von Kraftstoff ist damit beendet.
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Wie aus dem mittleren Diagramm der 3 ersichtlich ist, erreicht
das Stellglied 21 etwa kurz nach dem Zeitpunkt TZ seinen
stabilen Zwischenzustand Z. Dies hat zur Folge, dass – wie erläutert wurde – der Druck
in der Kraftstoffleitung 13 aufgrund des Zwischenzustands
Z nicht abrupt abfällt,
sondern in Abhängigkeit
von dem Zwischenzustand Z, also letztlich in Abhängigkeit von dem Hub HM
V des Stellglieds 21 langsam
absinkt.
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Die Geschwindigkeit des Abbaus des
Drucks P in der Kraftstoffleitung 13 wird damit aufgrund
des Zwischenzustands Z vermindert. Diese Abflachung des Drucks P
ist in dem unteren Diagramm der 3 zu
erkennen. Mögliche
Kavitationen und daraus resultierende Geräusche werden auf diese Weise
verhindert.
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Die Absteuerrate, also die Geschwindigkeit des
Abbaus des Drucks P in der Kraftstoffleitung 13 nach dem
Zeitpunkt TZ, kann in Abhängigkeit
von der Wahl des Zwischenzustands Z eingestellt werden. Je näher der
Zwischenzustand Z sich dabei bei dem geschlossenen Zustand S des
Stellventils 11 befindet, desto geringer ist die Absteuerrate
nach dem Zeitpunkt TZ.
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Wie bereits erläutert wurde, kann der Zwischenzustand
Z in dem Zeitbereich b mit Hilfe des das Stellventil 21 beaufschlagenden
Stroms IM
V variabel
eingestellt werden. Insbesondere kann durch die Wahl des Maximalwerts
des Stromimpulses während
der Zeitdauer b1 und/oder durch die Wahl des getakteten Stroms während der
Zeitdauer b3 der Zwischenzustand Z auf einen erwünschten Hub HMV des Stellglieds 21 und
damit des Stellventils 11 eingestellt werden.
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Dies bedeutet gleichzeitig, dass
mit Hilfe des Stroms IM
V letztlich
die Absteuerrate der Pumpe-Düse-Einheit 10 nach
dem Zeitpunkt TZ, also die Geschwindigkeit des Abbaus des Drucks
P in der Kraftstoffleitung 13 nach diesem Zeitpunkt TZ,
variabel auf einen vorgebbaren wert eingestellt bzw. gesteuert und/oder
geregelt werden kann.