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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kraftstoffmengenabgleich
von Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine
gemäß den Oberbegriffen
der jeweiligen unabhängigen
Ansprüche.
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Injektoren
der hier betroffenen Art werden bevorzugt in Kraftstoffeinspritzsystemen
mit einem Hochdruckspeicher, bspw. in sogenannten „Common-Rail-Systemen", eingesetzt. Mittels
der Injektoren wird dort Kraftstoff in die jeweiligen Verbrennungsräume (Zylinder)
der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei der Kraftstoff vor der
Einspritzung in dem Hochdruckspeicher („Rail") unter definierten Hochdruckbedingungen
zwischengespeichert wird. Dieses Prinzip ermöglicht eine von der Motordrehzahl
und der Einspritzmenge unabhängige
Erzeugung des Einspritzdrucks, wobei der Kraftstoff in dem Rail
fortlaufend für
die Einspritzung zur Verfügung steht.
Der jeweilige Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge werden in
einem elektronischen Motorsteuergerät berechnet und von den jedem
Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordneten Injektoren über entsprechende
Schaltventile umgesetzt. Die Injektoren werden bei der beschriebenen
Ansteuerung mit einer elektrischen Ansteuerspannung mit einer bestimmten
Ansteuerdauer beaufschlagt.
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Fertigungsbedingte
und vom jeweiligen Injektortyp abhängige Bautoleranzen bei den
Injektoren führen
auch bei übereinstimmender
Ansteuerspannung zu individuell unterschiedlichen Einspritzmengen.
Daher werden die Injektoren nach ihrer Herstellung einem sogenannten „Injektormengenabgleich" (IMA) unterzogen,
bei dem die einzelnen Injektoren angesteuert werden und Korrekturdaten
für die
Ansteuerdauer oder Ansteuerspannung ermittelt werden, um die genannten
individuellen Unterschiede in den Einspritzmengen der einzelnen
Injektoren auszugleichen bzw. die Einspritzmengen an Normwerte anzugleichen.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des IMA gehen bspw. aus
der
DE 102 15 610
A1 hervor. Die genannten Korrekturdaten werden bevorzugt
in einen beim Injektor angeordneten digitalen Datenspeicher abgelegt
und ermöglichen
somit eine individuelle Steuerung des jeweiligen Injektors durch
das Motorsteuergerät,
in dem die eigentlichen Ansteuerdaten anhand eines Mengenkennfeldes
generiert werden.
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Die
aus dem IMA gewonnenen Korrekturdaten werden in der Weise in den
genannten Mengenkennfeldern berücksichtigt,
dass eine für
alle Injektoren gültige
mittlere Steigung einer Kennlinie ,Einspritzmenge über Ansteuerdauer' zugrunde gelegt wird.
Da die Injektoren jedoch exemplarabhängige Kennliniensteigungen
aufweisen, ergibt sich ein systematischer Steigungsfehler bei der
genannten Korrekturfunktion. Dieser Mengenfehler beträgt bei den genannten
CR-Systemen bis zu 1 mm^3 pro Einspritzung und beeinflussen daher
den Verbrennungsvorgang erheblich.
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Es
ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass die Injektoren
im Betrieb der Brennkraftmaschine zur Ermöglichung eines möglichst
geringen Kraftstoffverbrauchs unter gleichzeitiger Einhaltung strenger
Abgasnormen sowie zur Begrenzung des Geräuschpegels bei der Verbrennung
nur äusserst
geringe Toleranzen im Hinblick auf die Einspritzmenge aufweisen
dürfen.
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Vorteile der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Kraftstoffmengenabgleich
von Injektoren eines hier betroffenen Kraftstoffzumesssystems dahingehend
weiterzubilden, dass die Abgleichgenauigkeit bei einem eingangs
beschriebenen Injektormengenabgleich (IMA) erhöht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen
Unteransprüche.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, im Rahmen des IMA zusätzlich die
injektor-individuelle
Steigung der Mengenkorrekturkennlinie zu ermitteln und diese bei
der Mengenkorrektur zu berücksichtigen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht insbesondere vor, bei dem IMA neben dem Mengenabgleichwert
einen Steigungsfaktor zu ermitteln, indem der Injektor mit wenigstens
zwei unterschiedlichen Ansteuerdauern beaufschlagt wird. Aus den
dabei sich ergebenden wenigstens zwei Einspritzmengenwerten wird
bspw. anhand eines üblichen
Geradenangleichs ein Steigungswert ermittelt. Dies ermöglicht eine
Bedatung des Injektors mit dem Wertepaar Einspritzmenge/Ansteuerdauer
sowie dem Steigungswert ΔEinspritzmenge/ΔAnsteuerdauer.
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In
einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Ansatzes werden zunächst ein
erster Teil, bevorzugt die erste Hälfte, der Prüfpunkte
mit der jeweils kleineren Ansteuerdauer gemessen und direkt im Anschluss
daran der zweite Teil, bevorzugt die zweite Hälfte, der Prüfpunkte
mit der jeweils höheren
Ansteuerdauer. Aus der Gesamtheit der Messergebnisse wird ein Mengenmittelwert
des jeweiligen Injektors an dem jeweiligen Prüfpunkt gebildet, woraus letztlich
auch der Abgleichwert an sich für
die IMA resultiert. Die beiden Mittelwerte der jeweils kürzeren und längeren Ansteuerdauern
ergeben demnach die gesuchte Steigung des Mengenverlaufs.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird aus der wie vorstehend ermittelten
Steigung ein Faktor berechnet, mit dem eine für den jeweiligen Injektortyp im
Motorsteuergerät
abgelegte sogenannte „Mastersteigung" multipliziert wird,
um so die injektor-individuelle Steigung zu berechnen.
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Gemäß einer
zweiten Variante wird der Injektor mit zwei Ansteuerdauern, die
wie in der ersten Variante bevorzugt zeitlich möglichst eng benachbart gewählt sind,
abwechselnd beaufschlagt. Aus den dabei gewonnenen Einspritzmengendaten,
die dem genannten Wechselbetrieb im Wesentlichen folgen, lassen
sich drei Mittelwerte ableiten, nämlich jeweils ein Einzelmittelwert
für die
bei den beiden Ansteuerdauern sich jeweils ergebenden Mengenwerte
sowie ein Gesamtmittelwert aus den genannten beiden Einzelmittelwerten.
Obgleich die zweite Variante gegenüber der ersten Variante messtechnisch
gesehen etwas aufwändiger
zu realisieren ist, hat sie gegenüber der ersten Variante den
Vorteil, dass auch eine mögliche
Verschiebung des Ansteuerniveaus während der gesamten Messzeit,
bspw. aufgrund einer Temperaturdrift, durch den ständigen Wechsel
zwischen den beiden Ansteuerdauern automatisch ausgeglichen wird,
da die genannten Mittelwerte in diesem Fall mitdriften.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst zur Lösung
der genannten Aufgabe in einem Motorsteuergerät oder dgl. angeordnete Steuermittel
zur Beaufschlagung eines einzelnen Injektors mit wenigstens zwei
unterschiedlichen Ansteuerdauern und zur Erfassung der bei den wenigstens
zwei Ansteuerdauern sich ergebenden wenigstens zwei Einspritzmengenwerten.
Ferner umfasst die Vorrichtung erste Rechenmittel zur Berechnung
eines Steigungswertes aus den wenigstens zwei erfassten Einspritzmengenwerten
sowie zweite Rechenmittel zur Korrektur von Mengenabgleichwerten
mit dem berechneten Steigungswert.
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Die
Erfindung ist bevorzugt in einem vorbeschriebenen CR-Einspritzsystem
eines Diesel- oder Ottomotors
mit den genannten Vorteilen einsetzbar und ermöglicht eine gegenüber dem
Stand der Technik höhere
Präzision
bei der genannten IMA-Korrektur.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung,
anhand von Ausführungsbeispielen
eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung hervorgehen.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 eine Prinzipdarstellung
eines Teils eines zum Einsatz der vorliegenden Erfindung geeigneten
Common-Rail-Einspritzsystems gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine schematische, ausschnittweise Darstellung
eines Injektors für
Brennkraftmaschinen im Längsschnitt
gemäß dem Stand
der Technik;
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3a,3b zwei erfindungsgemäße Varianten bei der Ansteuerung
eines Injektors mit zwei verschiedenen Ansteuerdauern;
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4 schematisch ein Kennliniendiagramm ,Einspritzmenge über Ansteuerdauer' zur Illustration des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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5 ein Blockschaltbild zur
Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der Vorrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In
der 1 ist der Hochdruckteil
eines für sämtliche
von der Erfindung umfassten Kraftstoffzumesssysteme stellvertretend
stehenden Common-Rail-Einspritzsystems dargestellt, wobei nachfolgend
nur dessen Hauptkomponenten und solche Komponenten näher erläutert werden,
welche für
das Verständnis
der Erfindung wesentlich sind.
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Die
gezeigte Anordnung weist eine Hochdruckpumpe 10 auf, welche über eine
Hochdruckleitung 12 mit einem Hochdruckspeicher ("Rail") 14 druckleitend
in Verbindung steht. Der Hochdruckspeicher 14 ist über weitere
Hochdruckleitungen mit Injektoren 18 verbunden. In der
vorliegenden Darstellung sind zur Vereinfachung nur eine Hochdruckleitung 16 und
ein Injektor 18 gezeigt. Der Injektor 18 ist in
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Das dargestellte
Einspritzsystem wird von einem Motorsteuergerät 20 gesteuert. Durch
das Motorsteuergerät 20 erfolgt
insbesondere eine Steuerung des gezeigten Injektors 18.
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An
dem Injektor 18 ist eine Einrichtung 22 zum Speichern
von Informationen angeordnet, mittels derer eine individuelle Steuerung
des Injektors 18 durch das Motorsteuergerät 20 ermöglicht wird. Es
versteht sich, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die anderen – hier nicht
gezeigten – Injektoren
eine entsprechende Einrichtung 22 aufweisen. Selbstverständlich kann
auch vorgesehen sein, dass nur einer der Injektoren eine solche
Speichereinrichtung 22 aufweist, die dann ebenfalls von den übrigen Injektoren
genutzt wird. Bei den genannten Informationen handelt es sich vorzugsweise
um Korrekturwerte für
ein bevorzugt im Motorsteuergerät angeordnetes
Mengenkennfeld des Injektors 18. Die Speichereinrichtung 22 kann
bspw. als digitaler Datenspeicher ggf. mit einer alphanumerischen
Verschlüsselung
der Informationen oder dgl., als einer oder mehrere elektrische
Widerstände,
als Barcode, oder auch als eine integrierte HalbleiterVorrichtung realisiert
sein. Das Motorsteuergerät 20 kann
ebenfalls eine zusätzliche
integrierte Halbleiter-Vorrichtung
zur Auswertung der in der Einrichtung 22 gespeicherten
Informationen aufweisen.
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Die
von dem jeweiligen Injektor 18 zugemessene Einspritzmenge
wird, in Abhängigkeit
von dem Raildruck, in dem bereits genannten im Motorsteuergerät 20 gespeicherten
Mengenkennfeld festgelegt, wobei das Mengenkennfeld aufgrund mehrerer
Prüfpunkte,
die unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
entsprechen, ermittelt wird. An diesen Prüfpunkten wird jeweils ein Mengenabgleich in
an sich bekannter Weise vorgenommen. Die Einspritzmenge wird dabei
durch die Einspritzdauer des Injektors bestimmt, d.h. die Zeit,
die zwischen dem Einspritzbeginn und dem Einspritzende eines Einspritzvorganges
vergeht.
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Um
eine Kraftstoffmengenzumessung im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine
und des Injektors zu ermöglichen,
werden die Abgleichwerte zwischen den durch die Prüfpunkte
definierten Stützstellen
interpoliert.
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In
der
2 ist ein aus der
DE 100 02 270 C1 hervorgehendes
piezoelektrisch gesteuertes Einspritzventil
101 in größerem Detail
in einer Schnittzeichnung dargestellt. Das Einspritzventil
101 weist eine
piezoelektrische Einheit
104 zur Betätigung eines in einer Bohrung
113 eines
Ventilkörpers
107 axial
verschiebbaren Ventilglieds
103 auf. Das Einspritzventil
101 weist
ferner einen an die piezoelektrische Einheit
104 angrenzenden
Stellkolben
109 sowie einen an ein Ventilschließglied
115 angrenzenden
Betätigungskolben
114 auf.
Zwischen den Kolben
109,
114 ist eine als hydraulische Übersetzung
arbeitende Hydraulikkammer
116 angeordnet. Das Ventilschließglied
115 wirkt
mit wenigstens einem Ventilsitz
118,
119 zusammen
und trennt einen Niederdruckbereich
120 von einem Hochdruckbereich
121.
Eine nur schematisch angedeutete elektrische Steuereinheit
112 liefert
die Ansteuerspannung für
die piezoelektrische Einheit
104, und zwar in Abhängigkeit
vom jeweils herrschenden Druckniveaus im Hochdruckbereich
121.
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Die 3a und 3b zeigen zwei unterschiedliche Varianten
der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines
Injektors mit zwei zeitlich eng benachbarten Ansteuerdauern. Gezeigt
ist die bei der jeweiligen Ansteuerdauer resultierende Einspritzmenge
als Funktion der Zeit.
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Bei
der in 3a gezeigten
ersten Variante wird der Injektor zwischen t0 und t1 mit einer kürzeren Ansteuerdauer
angesteuert. Bei dieser kürzeren Ansteuerdauer
ergibt sich der gezeigte Einspritzmengenverlauf (m_Einspritz) 300.
Der Zickzackverlauf der Einspritzmenge resultiert sowohl aus dem
eingangs genannten Einschwingverhalten des Kraftstoffdrucks im Rail
als auch aus naturgegebenen Messwertstreuungen bei der Erfassung
der Einspritzmenge. Nach in dem vorliegenden Beispiel sechzehn Ansteuerungen
(entsprechend der Zahl der Zickzacklinien) mit der kürzeren Ansteuerdauer
in Höhe von
200 μs ≤ x1 ≤ 2500 μs wird der
Injektor nach einem Ubergangsbereich t1 bis t2 im Zeitfenster t2
bis t3 ebenfalls sechzehn Mal mit der jeweils höheren Ansteuerdauer 200 μs ≤ x2 ≤ 2500 μs 1 x2 > x1 angesteuert. Die sich dabei ergebenden
entsprechend höheren
Einspritzmengen 305 weisen aus den genannten Gründen ebenfalls
das gezeigte Zickzack-verhalten
auf.
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Aus
dem in der 3a gezeigten
Gesamtverlauf der Einspritzmenge lassen sich drei Mittelwerte bestimmen.
Aus den beiden Einzelmessungen bei den beiden Ansteuerdauern in
den Zeitbereichen t0 bis t1 und t2 bis t3 lassen sich in an sich
bekannter Weise Einzelmittelwerte 310, 315 bilden.
Aus dem Gesamtverlauf im gesamten Zeitfenster t0 bis t3 ergibt sich
zusätzlich
ein Gesamtmittelwert 320. Der Gesamtmittelwert 320 ergibt
unmittelbar den Abgleichwert für
die Einspritzmenge. Aus den beiden Einzelmittelwerten 310, 315 lässt sich
gemäß dem nachfolgend
in der 4 gezeigten Verfahren
die gesuchte Steigung ableiten.
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Bei
der zweiten Variante gemäß 3b werden die jeweils kürzere und
längere
Ansteuerdauer in ständigem
Wechsel angewendet. Der Hauptbeitrag des gezeigten „Zickzack"-verlaufs 350 der Einspritzmenge
m_Einspr' resultiert
dabei in erster Linie aus der periodisch wechselnden Ansteuerdauer.
Diesem idealerweise zu erwartenden periodischen Verlauf überlagert
sind die genannten Einschwingeffekte, welche dazu führen, dass
die Zickzackkurve von einer geringen Schwebung 355 überlagert
ist. Aus dem gezeigten Verlauf lassen sich wiederum drei Mittelwerte
ableiten, und zwar zwei einzelne Mittelwerte 360, 365 für die bei
den beiden Ansteuerdauern sich ergebenden Einspritzmengenwerte sowie
einen Gesamtmittelwert 370 über sämtliche Messwerte.
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In
der 4 ist anhand eines
typischen Kennlinienverlaufs Einspritzmenge m_Einspr über Ansteuerdauer
t_Anst gezeigt, wie die eingangs genannte, für den jeweiligen Injektortyp
im Motorsteuergerät
abgelegte „Mastersteigung" mit dem gemäß 3a oder 3b ermittelten injektor-spezifischen
Steigungswert multipliziert wird, um die injektor-individuelle Steigung
zu erhalten. Zum besseren Verständnis sind
in dem gezeigten Diagramm sowohl eine vor der erfindungsgemäßen Steigungskorrektur
in dem Motorsteuergerät
vorliegende Kennlinie 400 mit der genannten „Mastersteigung" als auch die sich
nach der erfindungsgemäßen Korrektur
ergebende Kennlinie 405 mit einer injektor-individuellen Steigung
eingezeichnet. Die Mastersteigung 400 ergibt sich bekanntermaßen aus
einer Mittelung der Steigungen einer Vielzahl von Injektoren. Die
individuelle Injektorsteigung 405 errechnet sich aus der
Mastersteigung mittels eines Steigungsfaktors f.
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Als
Ergebnis des eingangs beschriebenen Injektormengenableichs (IMA)
ergibt sich, ausgehend von einer gemäß IMA zu niedrigen Einspritzmenge
m_alt 410, ein Abgleichwert (m_neu – m_alt) für die Einspritzmenge, welcher
der Abweichung der beim IMA gemessenen Einspritzmenge m alt von
einer idealerweise zu erwartenden Einspritzmenge m_neu 415 entspricht.
Aus der im Motorsteuergerät abgelegten
Mastersteigung 400 ergibt sich aus diesem Abgleichwert
ein Differenzwert Delta AD, angedeutet durch den Pfeil 420.
Aus der erfindungsgemäß korrigierten
individuellen Injektorkennlinie ergibt sich wegen der vorliegend
flacheren Steigung allerdings eine korrigierte Ansteuerdauer Delta
AD', angedeutet durch
den Pfeil 425. Der unter Berücksichtigung des Steigungseinflusses
sich ergebende Wert Delta AD' errechnet
sich aus dem Steigungsfaktor f gemäß der Beziehung Delta AD' = Delta AD·1/f. Der
korrigierte Abgleichwert m_neu selbst bleibt von der vorbeschriebenen
Steigungskorrektur unberührt.
Der Steigungsfehler entspricht im vorliegenden Beispiel demnach
der quantitativen Differenz zwischen den beiden Doppelpfeilen 420, 425.
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Die
wie vorbeschrieben ermittelte injektor-individuelle Steigung wird
bevorzugt in der genannten Weise auf dem Injektor gespeichert und
im darauf folgenden Betrieb des Injektors berücksichtigt.
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Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Berechnung einer IMA-korrigierten injektor-individuellen Ansteuerdauer.
Die Vorrichtung ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Steuergerät (EDC =
Electronic Diesel Control) eines Dieselmotors angeordnet. Es versteht
sich aber, dass die Vorrichtung in entsprechender Weise mit denselben
Vorteilen auch in einem Kraftstoffzumesssystem eines Ottomotors einsetzbar
ist.
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Die
Eingangsgröße 500 der
gezeigten Vorrichtung ist der mittels IMA ermittelte Abgleichwert m_abgleich
= (m_neu – m_alt).
Mittels eines ersten Berechnungsmoduls 505 wird die Masse
in Volumen umgerechnet. An einem Verzweigungspunkt 510 beginnt
ein Nebenzweig 515, in dem zunächst ein zweites Berechnungsmodul 520 angeordnet
ist, mittels dessen der Wert m abgleich anhand der Mastersteigung
in eine entsprechende Ansteuerdauerdifferenz Delta AD umgewandelt
wird. An das zweite Berechnungsmodul 520 schließt sich
ein drittes Berechnungsmodul 525 an, mittels dessen der
Wert Delta AD mit dem genannten injektor-individuellen Steigungsfaktor
1/f multipliziert wird und damit den Wert Delta AD' ergibt. Das dritte
Berechnungsmodul 525 ist ferner mit einem (nicht gezeigten)
Steuermodul verbunden, welches einen einzelnen Injektor mit den in
den 3a und 3b gezeigten zwei Ansteuerdauern
ansteuert und dabei die sich ergebenden Einspritzmengenwerte erfasst.
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Der
Wert Delta AD' wird
schließlich
einem zweiten Verknüpfungspunkt 530 zugeführt, an
dem der Wert Delta AD' auf
den IMA-Ausgangswert AD 535 aufaddiert wird. Am Ausgang
der Vorrichtung liegt demnach der endgültige (IMA-korrigierte) Wert der
Ansteuerdauer 540 an.
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Es
versteht sich, dass das vorbeschriebene Verfahren und die Vorrichtung
auch mit mehr als zwei Ansteuerdauern zur Bestimmung des Steigungsfaktors
realisiert werden können,
wobei die vorbeschriebenen Mittelwertbildungen in dem Fachmann geläufiger Weise
entsprechend über
mehrere Werte zu berechnen sind.
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Das
vorbeschriebene Verfahren und die Vorrichtung können entweder in Form einer
eigenen Steuerschaltung oder in Form eines in einem Motorsteuergerät vorgesehenen
Steuerprogrammes realisiert werden. Aufgrund der vorbeschriebenen
Implementierung mittels eines vorbeschriebenen dritte Berechnungsmodul
zur Verrechnung des Steigungsfaktors 1/f sind vorteilhaft nur relativ
geringe Modifikationen an einem bestehenden Steuergerät erforderlich.