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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kraftstoffmengenabgleich von
Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs.
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Injektoren
der vorgenannten Art werden vorwiegend in mit Hochdruckzwischenspeichern
ausgestatteten Einspritzsystemen, bspw. in „Common-Rail-Systemen", eingesetzt. Mittels
dieser Injektoren wird 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 Spannung mit einer bestimmten
Ansteuerdauer beaufschlagt.
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Fertigungsbedingte
und vom jeweiligen Injektortyp abhängige Bautoleranzen bei den
Injektoren bedingen individuell unterschiedliche Einspritzmengen
der Injektoren trotz einer identischen Ansteuerspannung. Daher werden
die Injektoren bereits in der Fertigung 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.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des IMA gehen bspw. aus
der vorveröffentlichten
DE 102 15 610 A1 hervor.
Die genannten Korrekturdaten werden bevorzugt in einen bei jedem
einzelnen Injektor angeordneten digitalen Datenspeicher abgelegt
und ermöglichen
somit eine individuelle Steuerung des jeweiligen Injektors durch das
Motorsteuergerät.
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Die
Berechnung der Ansteuerdaten zur Steuerung der Injektoren erfolgt
mittels Mengenkennfeldern, welche die Beziehung zwischen der Einspritzmenge,
dem Raildruck und der Ansteuerzeit beinhalten. Dabei kann der IMA
allerdings nur in solchen Kennfeldbereichen durchgeführt werden,
in denen die Einspritzmenge von der Ansteuerdauer messbar abhängig ist.
Im Falle von Voreinspritzungen ist die Abhängigkeit der Voreinspritzmenge
von der Ansteuerdauer allerdings durch ein Plateau charakterisiert,
d.h. es tritt nahezu keine messbare Änderung der Einspritzmenge
bei sich ändernder
Ansteuerdauer auf. Dieses Verhalten bedingt sehr enge Toleranzforderungen
bei der Zumessung von Kraftstoff durch Voreinspritzungen, was zu
sehr engen Fertigungstoleranzen und damit wiederum zu erhöhten Herstellungskosten
und hohen Ausschussmengen bei der Fertigung der Injektoren führt.
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Der
IMA liefert daher bei Voreinspritzungen keine brauchbaren Ergebnisse,
da aufgrund des genannten Plateaus nicht jede Einspritzmenge eineindeutig
durch einen Wert der Ansteuerdauer darstellbar ist. Aus diesen Gründen wurde
bisher im Voreinspritzbetrieb der Injektoren auf einen IMA ganz
verzichtet.
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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 sehr 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
der eingangs genannten Art zum Kraftstoffmengenabgleich von Injektoren
eines hier betroffenen Kraftstoffzumesssystems dahingehend zu verbessern,
dass die Präzision des
Injektormengenabgleichs erhöht
wird und im Ergebnis die Höhe
der Gutausbringung bei der Fertigung der Injektoren gesteigert wird
und damit auch die Herstellungskosten der Injektoren verringert
werden. Zusätzlich
soll ermöglicht
werden, auch bei Voreinspritzungen einen Injektormengenabgleich
mit der notwendigen Präzision
durchführen
zu können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Common-Rail-Injektoren
der neuesten Generation insbesondere bei hohen Raildrücken im
Bereich des genannten Voreinspritz-Plateaubereiches in bestimmten Mengenbereichen
doch ein Kennfeldverhalten aufweisen, bei dem zumindest in engen
Einspritzmengengrenzen eine messbare Veränderung der Einspritzmenge
durch Variation der Ansteuerdauer erzielt werden kann. Dieses Kennfeldverhalten
ist in den meisten Fällen
durch einen nur geringfügig nicht-linearen,
meist konkaven Kennfeld(linien)verlauf charakterisiert (3). Einen solchen Kurvenverlauf
zeigen prinzipiell alle Injektoren der neuesten Bauart, jedoch auf
jeweils unterschiedlichem Mengenniveau.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht zur Lösung
der genannten Aufgabe insbesondere vor, für den IMA bei Voreinspritzungen
innerhalb des genannten Plateaubereiches ein Mengenniveau zu wählen, welches
eine messbare Mengenänderung bei
sich ändernder
Ansteuerdauer erfährt.
Bei diesem Mengenniveau werden eine untere Grenze der Ansteuerdauer
und eine obere Grenze der Ansteuerdauer festgelegt. Bei Injektoren,
bei denen der IMA eine deutlich zu geringe Einspritzmenge ergibt,
wird die Ansteuerdauer gleich der genannten oberen Grenze gesetzt.
Bei Injektoren, bei denen der IMA eine deutlich zu hohe Einspritzmenge
ergibt, wird die Ansteuerdauer gleich der genannten unteren Grenze gesetzt.
Bei Injektoren, bei denen der IMA nur eine geringfügige Minder-
oder Mehrmenge ergibt, wird eine gezielt, bevorzugt durch Interpolation
gewonnene verlängerte
oder verkürzte
Ansteuerdauer innerhalb des genannten Mengenniveaus gesetzt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
bereits in der Fertigung bzw. im Anschluss an die Fertigung der
Injektoren eine deutliche Einengung bzw. Verschmälerung der Einspritzmengenverteilung einer
Vielzahl gefertigter Injektoren, wodurch eine größere Anzahl dieser Injektoren
innerhalb vorab festgelegter Toleranzbereiche zu liegen kommen und sich
im Ergebnis eine deutliche Steigerung der Gutausbringung sowie eine
daraus resultierende Absenkung der Herstellungskosten erzielen lässt.
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Die
Erfindung ist bevorzugt in einem vorerwähnten CR-Einspritzsystem eines
Diesel- oder Ottomotors
mit den genannten Vorteilen einsetzbar und ermöglicht zudem 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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3 experimentell bestimmte
Einzelkennlinien einer größeren Anzahl
von Injektoren bei jeweils fünf
unterschiedlichen Ansteuerdauern;
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4 ein Prinzipschaubild eines
im Voreinspritzbereich eines Injektors erfindungsgemäß durchgeführten Injektormengenabgleichs
(IMA);
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5 ein Ablaufdiagramm zur
weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels;
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6 eine typische IMA-Korrekturkurve
im Bereich von Voreinspritzungen gemäß der Erfindung;
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7 typische Korrekturwerte
eines im Voreinspritzbereich eines Injektors erfindungsgemäß durchgeführten IMA;
und
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6 eine experimentell bestimmte
Klassenverteilung der Voreinspritzmenge für eine Vielzahl von Injektoren,
und zwar im Vergleich mit und ohne Durchführung eines erfindungsgemäßen IMA.
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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(CR)-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 16 verbunden. In der
vorliegenden Darstellung sind zur Vereinfachung nur eine Hochdruckleitung 16 und
ein Injektor 16 gezeigt. Der Injektor 16 ist in
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Das dargestellte
Einspritzsystem wird von einem Mo torsteuergerät 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 der 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 Halbleiter Vorrichtung 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 Ein spritzventil
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 3 zeigt typische Kennlinienverläufe des
Zusammenhangs zwischen der Einspritzmenge und der Ansteuerdauer
bei vorgegebenem Raildruck in einem für Voreinspritzungen charakteristischen Plateaubereich.
Die für
vorliegend vierzig verschiedene CR-Injektoren der neuesten Bauart
gewonnenen Einzelkennlinien wurden bei jeweils fünf unterschiedlichen Ansteuerdauern 300–320 erfasst.
Für die
in den gezeigten Plateaubereich fallenden Werte der Ansteuerdauer
AD weisen alle Kennlinien aufgrund des vorliegend hohen Raildrucks
von 400–1600
bar einen leicht nach oben gebogenen (konkaven) Kurvenverlauf auf.
Den einzelnen Messpunkten 300–320 der Kennlinien
liegen jeweils fünfzig
Einzelmessungen der Einspritzmenge zugrunde. Die gezeigten Kennlinien
der verschiedenen Injektoren weisen in erster Näherung eine übereinstimmende
Konkavität
auf und unterscheiden sich lediglich in ihrer Absolutlage in Bezug
auf die Ordinate, d.h. im Absolutwert der Voreinspritzmenge.
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Innerhalb
des gezeigten Kennlinienbereichs können zwar infolge des nur geringfügig ansteigenden
Kurvenverlaufs keine beliebigen Einspritzmengen realisiert werden.
Nutzt man aber den Mengenunterschied zwischen der unteren Grenze
AD(uG) und der oberen Grenze AD(oG) der in dem gezeigten Bereich
liegenden Ansteuerdauern, so kann innerhalb dieses Bereichs durch
Variation der Ansteuerdauer doch eine messbare Mengenänderung
erzielt werden. Dies ist in der 4 für eine einzelne
Kennlinie und in der 7 anhand
konkreter Daten illustriert.
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Die
in der 4 gezeigte einzelne
Kennlinie 400 entspricht einer im mittleren Bereich 325 der
in der 3 gezeigten Kurvenschar 330 liegenden
Kurve und umfasst vorliegend Ansteuerdauern zwischen 200μs und 240μs. In diesem
Ansteuerdauerbereich verändert
sich die Voreinspritzmenge vorliegend zwischen etwa 1,2mm3/H und 2,2mm3/H,
wobei H Hub bedeutet, dies entspricht zwischen 1,2mm3 und
2,2 mm3/H Kraftstoff pro Einzeleinspritzung.
Der Zielwert 405 des vorliegenden IMA-Prüfpunktes
liegt in dem Beispiel in der Mitte des gezeigten Ansteuerdauerbereichs
bei AD = 220μs,
so dass die vorliegend maximal mögliche
AD-Verkürzung 410 den
Wert –20μs und die
maximal mögliche
AD-Erhöhung 415 den Wert
+20μs betragen.
Die genannte minimale Ansteuerdauer entspricht der oben genannten
Größe AD(uG)
und die maximale Ansteuerdauer der Größe AD(oG). Die genannte maximale
AD-Verkürzung 410 entspricht
damit einer maximalen Abnahme 420 der Voreinspritzmenge
von etwa –0,30
mm3/H und die genannte maximale AD-Erhöhung 415 einer
maximalen Zunahme 425 der Voreinspritzmenge von etwa +0,7
mm3/H.
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Die 5 zeigt ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
IMA-Korrektur eines Injektors im Voreinspritzbetrieb. Nach dem Start 500 der
gezeigten Routine wird zunächst
ein Kennfeld bzw. ein Kennfeldbereich für den Voreinspritzbetrieb ausgewählt 505.
Innerhalb des in dem genannten Kennfeldbereich liegenden Wertebereichs
wird die Ansteuerdauer AD variiert 510, und zwar mittels
einer Programmschleife 515 solange, bis ein Ansteuerdauerbereich
mit einer messbaren Veränderung
der Einspritzmenge m_Einspr erfasst ist. In einem solchen Ansteuerdauerbereich
wird ein Zielwert m_Einspr_Ziel für m_Einsp vorgegeben. Anhand
des vorliegenden Kennfeldbereichs wird aus dem Wert m_Einspr_Ziel eine
zugeordnete Ansteuerdauer AD Ziel berechnet 525. Anhand
dieses Zielwertes AD_Ziel wird mittels einer empirisch vorab zu
ermittelnden Maximaländerung ΔAD_max gemäß der beiden
Beziehungen AD(uG) = AD_Ziel – ΔAD_max und
AD(oG) = AD_Ziel + ΔAD_max
ein Grenzbereich [AD(uG); AD(oG)] berechnet bzw. vorgegeben 530,
innerhalb dessen nachfolgend die Ansteuerdauer AD variiert wird 535.
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Bei
der nachfolgend durchgeführten
Variation von AD wird die Einspritzmenge m_Einspr erfasst 540 und
geprüft 545,
ob der erfasste Wert m_Einspr kleiner gleich dem in der bestehenden
Kennlinie an der unteren Grenze AD(uG) gültigen Wert m_Einspr[AD(uG)]
ist. Ist diese Bedingung erfüllt, dann
wird der entsprechende Wert von AD gleich dem Wert AD(oG) gesetzt 550 und
vor den Schritt 535 zurück
gesprungen. Andernfalls wird geprüft 555, ob der erfasste
Wert m_Einspr größer gleich dem
in der bestehenden Kennlinie an der oberen Grenze AD(uG) gültigen Wert
m_Einspr[AD(oG)] ist. Ist diese Bedingung erfüllt, dann wird der entsprechende
Wert von AD gleich dem Wert AD(uG) gesetzt 560 und wiederum
vor den Schritt 535 zurück gesprungen.
Andernfalls wird dann geprüft 565,
ob der erfasste Wert m_Einspr innerhalb des Wertebereichs {m_Einspr[AD(uG)];
m_Einspr[AD(oG)]} liegt. Ist diese Bedingung erfüllt, dann wird der Wert von AD
einem in dem genannten Wertebereich durch bevorzugt lineare Interpolation
gewonnenen Wert gesetzt 570 und wiederum vor den Schritt 535 zurück gesprungen,
um die genannten Prüfschritte
mit einem nächsten
Ansteuerwert AD erneut durchzuführen.
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Der
in der 6 gezeigte Kurvenverlauf
verdeutlicht noch einmal die erfindungsgemäßen IMA-Korrekturschritte.
In dem gezeigten Diagramm sind die gemäß der oben beschriebenen Routine
bestimmten Korrekturwerte der Ansteuerdauer über der erfassten Einspritzmenge
m_Einspr aufgetragen. Unterhalb von Werten m_Einspr[AD(uG)] wird
die Ansteuerdauer vorliegend auf den festen Wert 240μs gesetzt,
wohingegen oberhalb von Werten m_Einspr[AD(oG)] die Ansteuerdauer
vorliegend auf den festen Wert von 200μs gesetzt wird. Im Bereich zwischen
den genannten Werten von m_Einspr wird dagegen die genannte bevorzugt
lineare Interpolation durchgeführt.
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Aus
dem in der 7 gezeigten
Korrekturschema eines erfindungsgemäß durchgeführten IMA eines einzelnen Injektors
ergibt sich in dem vorliegenden Beispiel, dass für Mengenwerte < 1,0 mm3/H die
Größe AD auf
den vorliegend maximalen Wert von 240μs (AD(oG)) gesetzt wird. Für Mengenwerte > 1,0 mm3/H
und < 1,5 mm3/H wird die Ansteuerdauerwerte gezielt im
Bereich zwischen 235 und 225μs, und
zwar vorliegend zwischen diesen Werten interpoliert, gesetzt. Die
Interpolation erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung anhand
diskreter Zwischenwerte, bspw. in Schritten der Weite 2μs. Für Mengenwerte
von 1,5 mm3/H wird der vorliegende Wert
von AD nicht verändert.
Für Mengenwerte > 1,5 mm3/H
und < 1,8 mm3/H wird wiederum eine interpolierende AD-Verkürzung im
Bereich zwischen 220 und 200μs
vorgenommen. Für
Mengenwerte > 1,8 mm3/H wird schließlich die maximale AD-Verkürzung (AD(uG))
von 200μs
gesetzt.
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Ein
typisches Ergebnis eines erfindungsgemäß durchgeführten IMA illustriert die 8, und zwar anhand einer
experimentell ermittelten Klassenverteilung einer Vielzahl von Injektoren.
Die quadratischen Messpunkte 700 entsprechen Voreinspritzmengenwerten
bei 1350 bar am Beispiel von achtzig Injektoren ohne IMA. Demgegenüber stellen
die rautischen Messpunkte 705 entsprechende Werte nach einem
erfindungsgemäßen IMA.
Aus dem Vergleich dieser beiden Verteilungen ist die genannte Verschmälerung der
Klassenverteilung nach dem durchgeführten IMA deutlich zu ersehen.
Aus den eingezeichneten Toleranzgrenzen 710, 710' von 1,5 mm3/H +/– 0,5
folgt eine Steigerung der Gutausbringung (GA) von 52,3% (ohne IMA)
auf 86,4% (mit IMA).