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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffzuführeinrichtung, die ein Volumenstromsteuerventil
umfasst.
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Ein
zunehmender Anteil an Brennkraftmaschinen weist Einspritzventile
auf, welche direkt am Brennraum angeordnet sind. Derartige Brennkraftmaschinen
mit Direkteinspritzung des Kraftstoffs haben in Verbindung mit einem
sehr hohen Kraftstoffdruck in der Kraftstoffzufuhr der Einspritzventile
den Vorteil, dass sie mit einem hohen Wirkungsgrad und damit kraftstoffsparend
betrieben werden können. Dazu
wird in der Kraftstoffzufuhr in eine Richtung beispielsweise bei
Benzin-Brennkraftmaschinen
ein Druck von bis zu ca. 200 bar erzeugt. Zum Erzeugen dieses hohen
Drucks weisen entsprechende Zuführeinrichtungen
für Kraftstoff
eine Niederdruckpumpe auf, welche Kraftstoff aus einem Tank fördert und
diesen in einen Niederdruckkreis fördert, in welchem ein Druck
von 3 bis 6 bar herrscht.
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Ausgangsseitig
des Niederdruckkreises ist eine Hochdruckpumpe vorgesehen, welche
regelmäßig von
der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Hochdruckpumpe
fördert
den Kraftstoff in einen Kraftstoffspeicher, welcher bei normalem
Betrieb der Brennkraftmaschine Kraftstoff unter einem Druck von
150 bis 200 bar speichert. Einspritzventile sind mit dem Kraftstoffspeicher
wirkverbunden und werden von diesem mit Kraftstoff versorgt. Stromaufwärts der
Hochdruckpumpe ist in dem Niederdruckkreis ein Volumenstromsteuerventil
vorgesehen, mittels dessen der Volumenstrom, der der Hochdruckpumpe
zugeführt
wird, eingestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass auf ein
ansonsten notwendiges Regulatorventil am Ausgang des Kraftstoffsspeichers,
der von der Hochdruck pumpe versorgt wird, verzichtet werden kann
und ebenso auf eine Rückführleitung
vom Regulatorventil in den Niederdruckkreis. Der Wirkungsgrad einer
solchen Kraftstoffzuführvorrichtung
ist höher
als derjenige einer Kraftstoffzuführvorrichtung mit einem Regulatorventil am
Ausgang des Kraftstoffspeichers. Somit lässt sich der Kraftstoffverbrauch
der Brennkraftmaschine durch den Einsatz einer Kraftstoffzuführvorrichtung ohne
Regulatorventil senken.
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Das
Volumenstromsteuerventil hat jedoch eine Leckage von beispielsweise
0,01 Liter/Minute mit der Folge, dass selbst in Betriebszuständen in
denen keine Kraftstoffförderung
gewünscht
ist, der Kraftstoffmassenstrom, der durch die Leckage bedingt ist,
zur Hochdruckpumpe und von dieser in den Kraftstoffspeicher gefördert wird.
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Im
Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine, d.h. wenn die tatsächliche
Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine höher ist
als die vom Fahrer gewünschte
Drehzahl, wird in modernen Brennkraftmaschinen die regelmäßige Kraftstoffzufuhr
zu den Brennräumen
der Zylinder abgeschaltet. Diese Maßnahme verringert zum einen
den Kraftstoffverbrauch und bewirkt zum anderen eine im Schiebebetrieb
gewünschte
Bremswirkung des Motors. Der Schiebebetrieb ist ferner dadurch definiert,
dass das von der Kurbelwelle abtriebsseitig abzugebende Drehmoment
negativ ist.
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Ferner
wird im Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine auch die Drosselklappe
in ihre Schließstellung
gebracht mit der Folge, dass nur eine sehr geringe Luftmasse in
den jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt. Bei einem
längeren Schiebebetrieb
bewirkt die Leckage einen unkontrollierten Anstieg des Kraftstoffsdrucks
in dem Kraftstoffspeicher.
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In
der
DE 198 58 468
A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr
bei einem Otto-Motor mit Direkteinspritzung beschrieben. Zur Steuerung der
Kraftstoffzufuhr während
eines Schubabschaltungsmodus wird die Menge des in den Katalysator gespeicherten
Sauerstoffs oder die Temperatur des Katalysators ermittelt und dem
Motor intermittierend Kraftstoff zugeführt, so dass der Kraftstoff
in dem Katalysator umgesetzt wird und darin befindlichen überschüssigen Sauerstoff
reduziert.
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Aus
der
DE 199 33 198
A1 ist ein Verfahren zur Druckregelung an einer Einspritzvorrichtung
für flüssige Kraftstoffe
bekannt, bei der aus einem Kraftstofftank der Kraftstoff mittels
einer Vorpumpe über die
Förderleitung
und eine Hochdruckpumpe in einen Druckspeicher gefördert wird,
der mit wenigstens einer Einspritzdüse in Verbindung steht, wobei
der Druck im Druckspeicherraum über
ein steuerbares Druckhalteventil geregelt wird. Die Kraftstoffzuflussmenge
zur Hochdruckpumpe wird in Abhängigkeit von
der Durchflussmenge durch das Druckhalteventil in der Weise geregelt,
dass bei einem Ansteigen der durch eine Abströmleitung des Druckhalteventils
abgeführte
Durchflussmenge die Zuflussmenge zur Hochdruckpumpe vermindert wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das bzw. die einen
unkontrollierten Druckanstieg im Schiebe betrieb der Brennkraftmaschine
im Kraftstoffspeicher verhindert.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer Brennkraftmaschine
mit einer Kraftstoffzuführeinrichtung,
die ein Volumenstromsteuerventil umfasst, im erkannten Schiebebetrieb
die regelmäßige Kraftstoffzufuhr
zu den Brennräumen
der Zylinder abgeschaltet wird. Die Häufigkeit einer vereinzelten
Kraftstoffzufuhr zu den Brennräumen
der Zylinder hängt
ab von einer Größe, die
eine vorgegebene minimale Einspritzzeitdauer charakterisiert und abhängt von
einer die Leckage des Volumenstromsteuerventils charakterisierenden
Größe. Dies
hat den Vorteil, dass die gewünschte
Kraftstoffmasse präzise
zumessbar ist, auch wenn eine sehr geringe Leckage des Volumenstromsteuerventils
besteht. So wird beispielsweise nur in jedem fünften oder zehnten Zylindersegment
Kraftstoff in einen der Brennräume
zugemessen.
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Ein
Zylindersegment ist definiert als der Kurbelwellenwinkel für einen
Arbeitszyklus eines Zylinders einer Brennkraftmaschine dividiert
durch die Anzahl der Zylinder. Ein Zylindersegment beträgt somit bei
einer Brennkraftmaschine mit vier Zylinder 180° und bei einer Brennkraftmaschine
mit sechs Zylindern 120° Kurbelwellenwinkel.
Ein unkontrollierter Druckanstieg in dem Kraftstoffspeicher während eines
sehr lange dauernden Schiebebetriebs, der zu Schäden in dem Kraftstoffspeicher
führen
kann, wird so auf einfache Art und Weise vermieden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern der
Brennkraftmaschine hängt die
Häufigkeit
der Kraftstoffzufuhr zu den Brennräumen ab von einem Kraftstoffdruck
in den Kraftstoffspeicher. Die hat den Vorteil, dass der Kraftstoffdruck ohnehin
erfasst wird und somit als Messgröße zur Verfügung steht und so einfach und
zuverlässig
sichergestellt werden kann, dass der Kraftstoffdruck bestimmte Werte
nicht überschreitet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Größe, die
eine vorgegebene minimale Einspritzzeitdauer charakterisiert, eine
die minimale Kraftstoffmasse charakterisierende Größe, die
während
eines Einspritzvorgangs zumessbar ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass die Häufigkeit
der Kraftstoffzufuhr so einfach und präzise ermittelbar ist, da die
minimale Kraftstoffmasse charakterisierende Größe, die während einer Einspritzung zumessbar ist,
maßgeblich
ist für
die Kraftstoff-Massenbilanz im Kraftstoffspeicher und damit für den Kraftstoffdruck.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
die minimale Kraftstoffmasse charakterisierende Größe ein minimaler
Kraftstoffmassenstrom durch das Einspritzventil während eines
Zylindersegments bei Zuführung
von Kraftstoff in den Brennraum. Dies hat den Vorteil, dass die
Berechnungsvorgänge
in einer Vorrichtung zum Steuern der Brennkraftmaschine häufig auf
Basis entsprechender Massenströme
erfolgen können
und damit die Häufigkeit
der Kraftstoffzufuhr zu den Brennräumen einfach zu berechnen ist,
insbesondere da regelmäßig der
Kraftstoffmassenstrom, der aufgrund der Leckage des Volumenstromsteuerventils
in den Kraftstoffspeicher gelangt, abhängig von dem jeweiligen Ansteuerparameter
des Volumenstromsteuerventils in einer Kennlinie abgelegt ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird auf
einen Fehler des Volumenstromsteuerventils erkannt, wenn die Häufigkeit
der Kraftstoffzufuhr zu den Brennräumen einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig eine einfache Diagnose des Volumenstromsteuerventils
möglich
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Kraftstoffzufuhr während des
Expansions- oder Ausschiebetaktes. Dies hat den Vorteil, dass unverbranntes
Luft/Kraftstoff-Gemisch in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine
gelangt und sich dort insbesondere im Bereich eines Abgaskatalysators
entzündet.
Diese exotherme Reaktion trägt
dazu bei, dass der Abgaskatalysator aufgeheizt wird und somit auch
während
des Schiebebetriebs seine Betriebstemperatur beibehalten oder zumindest
nahezu beibehalten kann. So können
in einem anschließenden
Normalbetrieb der Brennkraftmaschine, bei dem eine Last an der Brennkraftmaschine
anliegt, die Abgase in dem Abgaskatalysator sofort mit einem hohen
Wirkungsgrad umgewandelt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine Brennkraftmaschine
mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum,
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2 ein Ablaufdiagramm eines
Programms zum Steuern der Brennkraftmaschine gemäß 1 im Schiebebetrieb.
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Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Eine
Brennkraftmaschine (1)
umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2,
einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der
Motorblock 2 umfasst mehrere Zylinder, welche Kolben und
Pleuelstangen aufweisen, über
die sie mit einer Kurbelwelle 21 gekoppelt sind.
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Der
Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Einlassventil,
einem Auslassventil und Ventilantrieben. Der Zy linderkopf 3 umfasst
ferner ein Einspritzventil 34 und eine Zündkerze.
Alternativ kann das Einspritzventil 34 auch in dem Ansaugtrakt 1 angeordnet
sein.
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Ferner
ist eine Zuführeinrichtung 5 für Kraftstoff
vorgesehen. Sie umfasst einen Kraftstofftank 50, der über eine
erste Kraftstoffleitung mit einer Niederdruckpumpe 51 verbunden
ist. Ausgangsseitig ist die Niederdruckpumpe 51 hin zu
einem Zulauf 53 einer Hochdruckpumpe 54 wirkverbunden.
Ferner ist auch ausgangsseitig der Niederdruckpumpe 51 ein mechanischer
Regulator 52 vorgesehen, welcher ausgangsseitig über eine
weitere Kraftstoffleitung mit dem Tank 50 verbunden ist.
Der mechanische Regulator 52 ist vorzugsweise ein einfaches
federbelastetes Ventil in der Art eines Rückschlagventils, wobei die
Federkonstante so gewählt
ist, dass in dem Zulauf 53 ein vorgegebener Niederdruck
von beispielsweise 3 bis 6 bar nicht überschritten
wird. Die Niederdruckpumpe 51 ist vorzugsweise so ausgelegt,
dass sie während
des Betriebs der Brennkraftmaschine immer eine ausreichend hohe
Kraftstoffmenge liefert, die gewährleistet,
dass der vorgegebene Niederdruck nicht unterschritten wird.
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Der
Zulauf 53 ist hin zu der Hochdruckpumpe 54 geführt, welche
ausgangsseitig den Kraftstoff hin zu einem Kraftstoffspeicher 55 fördert. Die
Hochdruckpumpe 54 wird in der Regel von der Kurbelwelle 21 oder
der Nockenwelle angetrieben und fördert somit bei konstanter
Drehzahl der Kurbelwelle ein konstantes Kraftstoffvolumen in den
Kraftstoffspeicher 55.
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Die
Einspritzventile 34 sind mit dem Kraftstoffspeicher 55 wirkverbunden.
Der Kraftstoff wird somit den Einspritzventilen 34 über den
Kraftstoffspeicher 55 zugeführt.
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In
dem Vorlauf der Hochdruckpumpe 54, das heißt stromaufwärts der
Hochdruckpumpe 54, ist ein Volumenstromsteuerventil 56 vorgesehen,
mittels dessen der Volumenstrom eingestellt wer den kann, der der
Hochdruckpumpe zugeführt
wird. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Volumenstromsteuerventils 56 kann
sichergestellt werden, dass im Kraftstoffspeicher 55 immer
der gewünschte
Kraftstoffdruck herrscht, ohne dass ein elektromagnetischer Regulator
ausgangsseitig des Kraftstoffspeichers 54 mit einer entsprechenden
Rückführleitung in
den Niederdruckkreis vorgesehen sein muss.
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Ferner
ist der Brennkraftmaschine eine Steuereinrichtung 6 zugeordnet,
der wiederum Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen
und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt
abhängig von
mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die
dann in entsprechende Stellsignale zum Steuern von Stellgliedern
mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden.
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Die
Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber, welcher die Stellung eines
Fahrpedals erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor, welcher einen
Kurbelwellenwinkel erfasst und welchem dann eine Drehzahl N zugeordnet
wird, ein Luftmassenmesser, welcher den Luftmassenstrom MAF erfasst,
und ein Drucksensor 58, welcher den Kraftstoffdruck FUP_AV
in dem Kraftstoffspeicher 55 erfasst. Je nach Ausführungsform
der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der Sensoren oder auch
zusätzliche
Sensoren vorhanden sein.
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Die
Stellglieder sind beispielsweise als Einlass- oder Auslassventile,
die Einspritzventile 34, eine Zündkerze, eine Drosselklappe
oder auch das Volumenstromsteuerventil 56 ausgebildet.
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Ein
Programm zum Steuern der Brennkraftmaschine im Schiebebetrieb wird
in einem Schritt S1 gestartet (2).
In dem Schritt S1 werden Variablen auf vorgegebene Werte initialisiert.
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In
einem Schritt S2 wird geprüft,
ob der Betriebszustand BZ der Brennkraftmaschine der Schiebebetrieb
SCH ist. Ist dies nicht der Fall, so wird die Bedingung des Schrittes
S2 erneut nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit T_W, die das
Programm in einem in einem Schritt S3 verharrt, geprüft.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S2 jedoch erfüllt, so wird in einem Schritt 54 ein
Merker M1 mit dem. Wert OFF belegt. Dieser Merker M1 wird dann beispielsweise
von einer Funktion zum Ermitteln der Einspritzzeitdauer TI benutzt
und führt
dazu, dass die regelmäßige Einspritzung,
das heißt
Einspritzung in jedem Zylindersegment der Brennkraftmaschine, unterbunden
wird.
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In
einem Schritt S5 wird ein Schwellenwert FUP_SW des Kraftstoffdrucks
abhängig
von der Drehzahl N vorzugsweise mittels Kennfeldinterpolation ermittelt.
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In
einem Schritt S6 wird der tatsächliche Kraftstoffdruck
FUP_AV eingelesen, der von dem Kraftstoffdrucksensor 58 ermittelt
wird.
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In
einem Schritt S7 wird geprüft,
ob der tatsächliche
Kraftstoffdruck FUP_AV größer ist
als der Schwellenwert FUP_SW des Kraftstoffdrucks. Ist die Bedingung
des Schrittes S7 nicht erfüllt,
so wird die Bearbeitung in dem Schritt S3 fortgesetzt. Ist die Bedingung
des Schrittes S7 jedoch erfüllt,
so wird in einem Schritt S8 ein minimal zuzumessender Kraftstoffmassenstrom
MFF_MIN abhängig
von einer minimalen Einspritzzeitdauer TI_MIN, dem tatsächlichen
Kraftstoffdruck FUP_AV und vorzugsweise einem Luftmassenstrom MAF
ermittelt.
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Die
minimale Einspritzzeitdauer TI_MIN ist dabei so vorgegeben, dass
bei Überschreiten
der minimalen Einspritzzeitdauer TI_MIN ein präzises Zumessen durch das Einspritzventil 34 möglich ist.
Bei Unterschreiten der minimalen Einspritzeitdauer TI_MIN ist aufgrund
der komplexen dynamischen Vorgänge während des
Nadelhubs eines präzise
Zumessung des Kraftstoffs nicht gewährleistet.
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In
einem Schritt S9 wird eine Häufigkeit ANZ_LEAK
der Kraftstoffzumessungen aus dem Quotienten des durch die Leckage
des Volumenstromsteuerventils 56 bedingten Kraftstoffmassenstroms
MFF_VCV und des minimal zumessbaren Kraftstoffmassenstroms MFF_MIN
ermittelt. Alle Kraftstoffmassenströme und auch der Luftmassenstrom
sind bezogen auf die Kraftstoffmasse bzw. Luftmasse pro Zylindersegment.
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Der
Kraftstoffmassenstrom MFF_VCV, der durch die Leckage des Volumenstromsteuerventil 56 bedingt
ist, ist vorzugsweise abhängig
von einer Ansteuergröße des Volumenstromsteuerventils 56,
so zum Beispiel der Strom, in einer Kennlinie abgelegt.
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Bevorzugt
wird anschließend
an den Schritt 59 in einem Schritt S20 geprüft, ob die
Häufigkeit ANZ_LEAK
der Kraftstoffzumessungen größer ist
als ein weiterer Schwellenwert SW_W, der vorzugsweise so gewählt wird,
dass er nur überschritten
wird, wenn ein Fehler des Volumenstromsteuerventils 56 vorliegt.
Ist die Bedingung des Schrittes S20 erfüllt, wird in einem Schritt
S22 ein Fehler des Volumenstromsteuerventils 56 erkannt
und eine entsprechende Diagnosefunktion durchgeführt, die beispielsweise einen
Notlaufbetrieb der Brennkraftmaschine beinhalten kann. Das Programm
wird anschließend
in einem Schritt S23 beendet.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S20 nicht erfüllt, so wird in einem Schritt
S11 ein Zähler LEAK_CTR
um den Wert 1 erhöht.
In einem Schritt S13 wird geprüft,
ob der Zähler
LEAK_CTR größer ist als
ein Maximalwert LEAK_CTR_MAX.
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Ist
dies der Fall, so wird in einem Schritt S15 die Einspritzzeitdauer
TI mit der minimalen Einspritzzeitdauer TI_MIN belegt. Eine Funktion
zum Ansteuern des Einspritzventils 34 erzeugt dann ein
entsprechendes Stellsignal, das dazu führt, dass durch das Einspritzventil 34 Kraftstoff
für die
minimale Einspritzzeitdauer TI_MIN in den Brennraum des Zylinders zugemessen
wird. Alternativ kann auch eine von der minimalen Einspritzzeitdauer
TI_MIN abweichende Einspritzzeitdauer eingestellt werden, durch
die sichergestellt wird, dass der minimal zuzumessende Kraftstoffmassenstrom
MFF_MIN zugemessen wird.
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In
einem Schritt S17 wird der Zähler LEAK_CTR
wieder mit dem Wert null initialisiert. Anschließend wird die Bearbeitung in
dem Schritt S2 fortgesetzt.
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Alternativ
kann die Häufigkeit
ANZ_LEAK der Kraftstoffzumessungen in dem Schritt S9 zusätzlich abhängig von
einem Korrekturwert ermittelt werden, der abhängt von der Abweichung des
tatsächlichen
Kraftstoffdrucks FUP_AV von dem Schwellenwert FUP_SW des Kraftstoffdrucks.
So kann beispielsweise die Häufigkeit
ANZ_LEAK erhöht
werden, wenn der tatsächliche
Kraftstoffdruck wesentlich höher
ist, als der Schwellenwert FUP_SW oder die Häufigkeit ANZ_LEAK erniedrigt
werden in dem umgekehrten Fall. Ferner kann auch der Maximalwert LEAK_CTR_MAX
erhöht
werden und dann in dem Schritt S15 die Einspritzzeitdauer TI mit
einem entsprechend größeren Wert
als der minimalen Einspritzzeitdauer TI_MIN belegt werden.