EP1460255A2 - Steuergerät und Computerprogramm zum Ansteuern eines Kraftstoffventils einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Steuergerät und Computerprogramm zum Ansteuern eines Kraftstoffventils einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1460255A2
EP1460255A2 EP03023174A EP03023174A EP1460255A2 EP 1460255 A2 EP1460255 A2 EP 1460255A2 EP 03023174 A EP03023174 A EP 03023174A EP 03023174 A EP03023174 A EP 03023174A EP 1460255 A2 EP1460255 A2 EP 1460255A2
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fuel valve
coupling element
control device
combustion engine
internal combustion
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Uwe Liskow
Michael Huebel
Walter Maeurer
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Robert Bosch GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2055Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit with means for determining actual opening or closing time

Definitions

  • the invention relates to a control device and a computer program for controlling at least one fuel valve with a piezo drive of an internal combustion engine with gasoline direct injection via a coupling element.
  • the needle stroke on the valve seat can be adjusted by means of charge or voltage applied to the piezo element as an actuator.
  • the fuel valve is usually not controlled by a direct connection to the actuator, but by a hydraulic coupling element connected between the actuator and the fuel valve. This serves to compensate for temperature expansions and strains due to pressure forces and wear.
  • this hydraulic coupling element is disadvantageously dependent on the period of the activation, that is to say in particular on the speed of the internal combustion engine, on the activation duration of the Fuel valve (injection duration), the load force of the fuel valve, which depends on the pressure in a fuel accumulator, and the damping constant of the hydraulic coupling element, which not least depends on the temperature of the hydraulic medium used.
  • this compensation ensures according to the invention that the stationary Stroke loss has no negative effects on the accuracy of the control of the fuel valve. Any errors or inaccuracies resulting from the stationary stroke loss are compensated according to the invention by the control device prior to activation.
  • the effects of the stationary stroke loss as an error variable on the stroke of the fuel valve and / or on the injection quantity in the formulas, characteristic curves or characteristic diagrams stored in the control unit for controlling the fuel valve.
  • FIG. 1 shows the arrangement on which the invention is based, of a control device 50, a piezo drive 100 for controlling a fuel valve 300 in accordance with injection commands issued by the control device 50. It can be seen in FIG. 1 that the piezo drive 100 is not directly on the fuel valve 300 acts, but that a hydraulic coupling element 200 is connected between these two components. This hydraulic coupling element is used to compensate for temperature expansions and expansions as a result of compressive forces and to compensate for wear.
  • FIG. 2 shows a detailed view of such a coupling element 200.
  • the coupling element is essentially formed by a piston-cylinder arrangement, the piston having the reference symbol 220 and a cylinder for guiding the piston having the reference symbol 210.
  • the piston 220 is guided in the cylinder 210 filled with a hydraulic fluid 220.
  • Forces set by the piezo drive 100 for setting the fuel valve 300 are first transmitted to the piston 220 and from there via the hydraulic fluid 230 to the guide cylinder 210 before they are forwarded from there to the fuel valve 300.
  • the coupling element 200 is preferably evacuated in its interior.
  • the behavior of the hydraulic coupling element 200 is dependent on numerous influencing factors mentioned above, which lead to a so-called stationary stroke loss occurring during the operation of the coupling element 200.
  • This stationary stroke loss is designated in FIG. 2 by the reference symbol h v.stat . It represents the path error which can occur due to the interposition of the coupling element when the fuel valve 300 is actuated by the piezo drive 100 due to the influences mentioned.
  • the behavior of the coupling element 200 during its operation and the steady stroke loss are generally graphically represented as an error.
  • the black rectangles represented on the lower timeline represent the actuations of the piezo drive 100 by the control device 50 and consequently also the injections E.
  • the spaces between the injections represent the respective actuation pauses or the fillings B.
  • the graphic in FIG. 3 shows that the coupling gap KS, plotted on the ordinate, drops significantly during the control times due to the pressure exerted on the piston 220 by the piezo drive 100, in order then to rise again with an e-function in the subsequent control pauses.
  • This steady stroke loss is shown by the fact that with continued operation of the coupling element, the coupling gap KS is no longer able to fully close itself during the control pauses B of the internal combustion engine regenerate, that is, to grow back to its original value h 0 .
  • This original position h 0 represents a distance of the piston 220 from the bottom surface of the cylinder 210, see FIG. 2.
  • the piston 220 no longer returns to its original distance h 0 from the bottom of the cylinder 210, but instead rather, it only manages to move away from the bottom of the cylinder 210 by a distance of h 0 -h V.stat during the control pause B; when he has reached this position, the drive pause for the internal combustion engine has already ended.
  • the piston 220 is then actuated again by the piezo element 100 to reverse its direction of movement and to approach the bottom of the cylinder 210 again, which results in a rapid shortening of the coupling gap KS.
  • this stationary stroke loss can be taken into account when adjusting the stroke of the fuel valve and / or when adjusting its injection time.
  • the known stationary stroke loss h V.stat of the coupling element 200 used is already stored in the memory element 52 of the control unit Formulas, characteristic curves or characteristic fields for controlling the fuel valve 300 are taken into account.
  • the control of the piezo drive 100 and the fuel valve 300 is preferably carried out in accordance with a computer program stored in the control unit 50.
  • This computer program regularly evaluates the formulas and characteristic curves stored in the storage element 52 for controlling the fuel valve.
  • the computer program is designed such that it takes into account the steady stroke loss when the fuel valve is actuated.
  • the computer program can optionally be stored together with other computer programs for controlling and / or regulating the internal combustion engine 50 on a computer-readable data carrier.
  • the data carrier can be a floppy disk, a compact disc, a flash memory or the like.
  • the program code stored on the data carrier can then be sold to a customer as a product.
  • the computer program possibly together with other computer programs, without the aid of an electronic storage medium, is transmitted and sold as a product to a customer via an electronic communication network, in particular the Internet.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät und ein Computerprogramm zum Ansteuern von mindestens einem Kraftstoffventil (300) mit Piezoantrieb (100) einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung über ein Kopplungselement (200). Das Übertragungsverhalten des hydraulischen Kopplungselements (200) ist von verschiedenen Einflussfaktoren, insbesondere von der Periodendauer der Ansteuerung, von der Ansteuerdauer des Kraftstoffventils (300) oder von dessen Lastkraft abhängig. Um eine aus diesen negativen Einflussfaktoren resultierende Ungenauigkeit bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils (300) durch den Piezoantrieb (100) zu kompensieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen für das Kopplungselement (200) als Fehlergröße charakteristischen stationären Hubverlust bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils (300) zu berücksichtigen. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuergerät und ein Computerprogramm zum Ansteuern von mindestens einem Kraftstoffventil mit Piezoantrieb einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung über ein Kopplungselement.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass bei Kraftstoffventilen mit Piezoantrieb der Nadelhub am Ventilsitz durch auf das Piezoelement als Aktor aufgebrachte Ladung beziehungsweise Spannung eingestellt werden kann. Im Stand der Technik erfolgt die Ansteuerung des Kraftstoffventils üblicherweise nicht durch eine direkte Verbindung zum Aktor, sondern durch ein zwischen den Aktor und das Kraftstoffventil geschaltetes hydraulisches Kopplungselement. Dieses dient dazu, Temperaturdehnungen und Dehnungen infolge von Druckkräften sowie Verschleiß zu kompensieren.
  • Nachteiligerweise ist das Verhalten dieses hydraulischen Kopplungselements jedoch abhängig von der Periodendauer der Ansteuerung, das heißt insbesondere von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, von der Ansteuerdauer des Kraftstoffventils (Einspritzdauer), von der Lastkraft des Kraftstoffventils, welche von dem Druck in einem Kraftstoffspeicher abhängt, und von der Dämpfungskonstante des hydraulischen Kopplungselementes, welche nicht zuletzt von der Temperatur des verwendeten Hydraulikmediums abhängt.
  • Abhängig von den oben genannten negativen Einflüssen stellt sich während des Betriebs des hydraulischen Kopplungselementes ein sogenannter "stationärer Hubverlust" ein, welcher, wenn er unberücksichtigt bleibt, zu einer fehlerhaften Ansteuerung des Kraftstoffventils führt. Genauer gesagt kann er zu einer fehlerhaften Einstellung des Nadelhubs des Kraftstoffventils und damit zu einer falschen Einstellung der Einspritzmenge des Kraftstoffventils führen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes Steuergerät zum Ansteuern eines Kraftstoffventils über ein Kopplungselement und ein Computerprogramm für ein derartiges Steuergerät so weiterzubilden, dass sie eine präzisere Ansteuerung des Kraftstoffventils ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach wird die Aufgabe für das bekannte Steuergerät insbesondere dadurch gelöst, dass es ausgebildet ist, einen stationären Hubverlust als eine für das Kopplungselement charakteristische Fehlergröße bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils zu kompensieren.
  • Vorteile der Erfindung
  • Vorteilhafterweise wird durch diese Kompensation erfindungsgemäß sichergestellt, dass der stationäre Hubverlust keine negativen Auswirkungen auf die Genauigkeit der Ansteuerung des Kraftstoffventils hat. Eventuelle aus dem stationären Hubverlust resultierende Fehler beziehungsweise Ungenauigkeiten werden erfindungsgemäß durch das Steuergerät im Vorfeld einer Ansteuerung kompensiert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorteilhaft, die Auswirkungen des stationären Hubverlustes als Fehlergröße auf den Hub des Kraftstoffventils und/oder auf die Einspritzmenge in die in dem Steuergerät abgelegten Formeln, Kennlinien oder Kennfeldern zur Ansteuerung des Kraftstoffventils einzurechnen. Durch das Verrechnen des Koppelverhaltens in die Ansteuerparameter des Kraftstoffventils werden die Auswirkungen des stationären Fehlers aufgrund von Drehzahl, Einspritzzeit, Systemdruck oder Ventiltemperatur auf den Nadelhub und/oder die Einspritzmenge minimiert. Der Ventilhub und die Einspritzmenge können also genauer eingestellt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuergerätes sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die oben genannte Aufgabe.wird weiterhin durch ein Computerprogramm für ein Steuergerät gelöst. Die Vorteile dieses Computerprogramms entsprechen den oben unter Bezugnahme auf das Steuergerät genannten Vorteilen.
  • Zeichnungen
  • Der Erfindung sind insgesamt drei Zeichnungen beigefügt, wobei
  • Figur 1
    ein hydraulisches Kopplungselement;
    Figur 2
    den zeitlichen Zusammenhang zwischen vorgenannten Einspritzungen und der Größe des Spaltes des Kopplungselementes; und
    Figur 3
    ein Steuergerät gemäß der Erfindung
    zeigt. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Figur 1 zeigt die der Erfindung zugrunde liegende Anordnung von einem Steuergerät 50, einem Piezoantrieb 100 zur Ansteuerung eines Kraftstoffventils 300 nach Maßgabe durch Einspritzbefehle, ausgegeben von dem Steuergerät 50. In Figur 1 ist zu erkennen, dass der Piezoantrieb 100 nicht unmittelbar auf das Kraftstoffventil 300 einwirkt, sondern dass zwischen diese beiden Komponenten ein hydraulisches Kopplungselement 200 geschaltet ist. Dieses hydraulische Kopplungselement dient zur Kompensation von Temperaturdehnungen und Dehnungen infolge von Druckkräften sowie zur Kompensation von Verschleiß.
  • Figur 2 zeigt eine Detailansicht eines derartigen Kopplungselementes 200. Es ist zu erkennen, dass das Kopplungselement im Wesentlichen durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung gebildet wird, wobei der Kolben das Bezugszeichen 220 und ein Zylinder zur Führung des Kolbens das Bezugszeichen 210 hat. Der Kolben 220 wird in dem mit einer Hydraulikflüssigkeit 220 gefüllten Zylinder 210 geführt. Von dem Piezoantrieb 100 ausgegebene Kräfte zur Einstellung des Kraftstoffventils 300 werden gemäß Figur 2 zunächst auf den Kolben 220 und von diesem über die Hydraulikflüssigkeit 230 auf den Führungszylinder 210 übertragen, bevor sie von dort an das Kraftstoffventil 300 weitergeleitet werden. Zur Realisierung einer bidirektionalen Kraftübertragung zwischen Piezoantrieb 100 und Kraftstoffventil 300 ist das Kopplungselement 200 in seinem Inneren vorzugsweise evakuiert.
  • Wie bereits einleitend erwähnt, ist das Verhalten des hydraulischen Kopplungselementes 200 von zahlreichen oben genannten Einflussfaktoren abhängig, welche dazu führen, dass sich während des Betriebs des Kopplungselementes 200 ein sogenannter stationärer Hubverlust einstellt. Dieser stationäre Hubverlust ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen hv.stat bezeichnet. Er repräsentiert den Wegfehler, welcher durch die Zwischenschaltung des Kopplungselementes bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 durch den Piezoantrieb 100 aufgrund der genannten Einflüsse entstehen kann.
  • In Figur 3 ist allgemein das Verhalten des Kopplungselementes 200 während seines Betriebs sowie der stationäre Hubverlust als Fehler grafisch dargestellt. In Figur 3 repräsentieren die auf dem unteren Zeitstrahl dargestellten schwarzen Rechtecke die Ansteuerungen des Piezoantriebs 100 durch das Steuergerät 50 und demzufolge auch die Einspritzungen E. Die Zwischenräume zwischen den Einspritzungen repräsentieren die jeweiligen Ansteuerpausen beziehungsweise die Befüllungen B. Aus der Grafik in Figur 3 ist ersichtlich, dass der Koppelspalt KS, auf der Ordinate aufgetragen, jeweils während der Ansteuerzeiten aufgrund des von dem Piezoantrieb 100 ausgeübten Druckes auf den Kolben 220 deutlich abfällt, um dann jeweils in den nachfolgenden Ansteuerpausen wieder mit einer e-Funktion anzusteigen. Diese jeweiligen Anstiege resultieren daher, dass während der Ansteuerpausen kein Druck von dem Piezoantrieb auf den Kolben 220 und damit auf die Hydraulikflüssigkeit 230 ausgeübt wird. In Figur 3 ist weiterhin zu erkennen, dass sich nach einer gewissen Betriebsdauer der bereits erwähnte stationäre Hubverlust hV.stat einstellt.
  • Der stationäre Hubverlust hV.stat lässt sich mathematisch wie folgt berechnen: h v·stat = t i ·F S r k · e - c v r k · t B 1 - e - c v r k · t B
    Figure imgb0001
    wobei
  • rk
    die Dämpfungskonstante des Kopplungselementes [N/(m/s)];
    ti
    die Ansteuerzeit;
    FS
    die Schaltkraft;
    cv
    die Steifigkeit des Ventils;
    tB
    die Dauer der Ansteuerpause (Befüllphase); und
    hv.stat
    den stationären Hubverlust
    repräsentiert.
  • Dieser stationäre Hubverlust zeigt sich darin, dass es bei fortgesetztem Betrieb des Kopplungselementes dem Kopplungsspalt KS nicht mehr gelingt, sich während der Ansteuerpausen B der Brennkraftmaschine vollständig zu regenerieren, das heißt, wieder auf seinen ursprünglichen Wert h0 anzuwachsen. Diese ursprüngliche Position h0 repräsentiert einen Abstand des Kolbens 220 von der Bodenfläche des Zylinders 210, siehe Figur 2. Aufgrund des stationären Hubverlustes kehrt der Kolben 220, wie gesagt, nicht mehr auf seinen ursprünglichen Abstand h0 vom Boden des Zylinders 210 zurück, sondern vielmehr schafft er es während der Ansteuerpause B lediglich, sich um einen Weg von h0 - hV.stat von dem Boden des Zylinders 210 zu entfernen; wenn er diese Position erreicht hat, ist die Ansteuerpause Brennkraftmaschine bereits wieder beendet. Der Kolben 220 wird dann durch eine erneute Ansteuerung durch das Piezoelement 100 dazu veranlasst, seine Bewegungsrichtung umzukehren und sich wieder dem Boden des Zylinders 210 zu nähern, was in einer schnellen Verkürzung des Koppelspaltes KS resultiert.
  • Wird dieser stationäre Hubverlust des Kopplungselementes 200 bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 nicht berücksichtigt, so führt dies zu Fehlern bei der Ansteuerung; genauer gesagt zu einer unpräzisen Ansteuerung.
  • Um derartige, aus dem stationären Hubverlust des Kopplungselementes 200 resultierende Fehler bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diesen stationären Hubverlust bei der Ansteuerung zu kompensieren. Genauer gesagt kann dieser stationäre Hubverlust bei der Einstellung des Hubs des Kraftstoffventils und/oder bei der Einstellung von dessen Einspritzzeit berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise ist der bekannte stationäre Hubverlust hV.stat des verwendeten Kopplungselementes 200 bereits in den in einem Speicherelement 52 des Steuergerätes hinterlegten Formeln, Kennlinien oder Kennlinienfeldern zur Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 berücksichtigt.
  • Die Ansteuerung des Piezoantriebs 100 und des Kraftstoffventils 300 erfolgt vorzugsweise nach Maßgabe durch ein in dem Steuergerät 50 hinterlegten Computerprogramm. Dieses Computerprogramm wertet regelmäßig die in dem Speicherelement 52 hinterlegten Formeln und Kennlinien zur Ansteuerung des Kraftstoffventils aus. Das Computerprogramm ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass es den stationären Hubverlust bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils berücksichtigt.
  • Das Computerprogramm kann gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 50 auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert werden. Bei dem Datenträger kann es sich um eine Diskette, eine Compact-Disc, einen Flash-Memory oder dergleichen handeln. Der auf dem Datenträger abgespeicherte Programmcode kann dann als ein Produkt an einen Kunden verkauft werden.
  • Außerdem ist es möglich, dass das Computerprogramm, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen ohne die Zuhilfenahme eines elektronischen Speichermediums über ein elektronisches Kommunikationsnetzwerk, insbesondere das Internet als Produkt an einen Kunden übertragen und verkauft wird.

Claims (6)

  1. Steuergerät zum Ansteuern von mindestens einem Kraftstoffventil (300) mit Piezoantrieb (100) einer Brennkraftmaschine (50) mit Benzindirekteinspritzung über ein Kopplungselement (200), dadurch gekennzeichnet, dass
    das Steuergerät (50) ausgebildet ist, einen stationären Hubverlust als eine für das Kopplungselement (200) charakteristische Fehlergröße bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils (300) zu kompensieren.
  2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät ausgebildet ist, den stationären Hubverlust bei der Ansteuerung des Hubs des Kraftstoffventils und/oder bei der Einspritzzeit für das Kraftstoffventil (300) einzurechnen.
  3. Steuergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswirkungen des stationären Hubverlustes auf den Hub des Kraftstoffventils und/oder auf die in die Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge in Formeln, Kennlinien oder Kennlinienfeldern berücksichtigt ist, wie sie zum Zwecke der Ansteuerung des Kraftstoffventils (300) in einem Speicherelement (52) des Steuergerätes (50) abgespeichert sind.
  4. Steuergerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (50) ausgebildet ist, den stationären Hubverlust HVstat des Kopplungselementes (300) wie folgt zu berechnen: h v·stat = t i ·F S r k · e - c v r k · t B 1 - e - c v r k · t B
    Figure imgb0002
    wobei
    rk   die Dämpfungskonstante des Kopplungselementes [N/(m/s)];
    ti   die Ansteuerzeit;
    FS   die Schaltkraft;
    cv   die Steifigkeit des Gesamtventils;
    tB   die Dauer der Ansteuerpause (Befüllphase); und
    hv.stat   den stationären Hubverlust
    repräsentiert.
  5. Computerprogramm für ein Steuergerät (50) zum Ansteuern von mindestens einem Kraftstoffventil (300) einer Brennkraftmaschine über ein Kopplungselement (200), gekennzeichnet durch Programmcode, der ausgebildet ist, einen stationären Hubverlust des Kopplungselementes (200) bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils (300) zu kompensieren.
  6. Computerprogramm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Programmcode auf einem mobilen Datenträger gespeichert ist.
EP20030023174 2003-03-21 2003-10-13 Steuergerät und Computerprogramm zum Ansteuern eines Kraftstoffventils einer Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP1460255B1 (de)

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DE10312712 2003-03-21
DE2003112712 DE10312712A1 (de) 2003-03-21 2003-03-21 Steuergerät und Computerprogramm zum Ansteuern eines Kraftstoffventils einer Brennkraftmaschine

Publications (3)

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EP1460255A2 true EP1460255A2 (de) 2004-09-22
EP1460255A3 EP1460255A3 (de) 2006-07-19
EP1460255B1 EP1460255B1 (de) 2009-03-18

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ID=32798028

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20030023174 Expired - Lifetime EP1460255B1 (de) 2003-03-21 2003-10-13 Steuergerät und Computerprogramm zum Ansteuern eines Kraftstoffventils einer Brennkraftmaschine

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DE (2) DE10312712A1 (de)
ES (1) ES2320746T3 (de)

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Also Published As

Publication number Publication date
EP1460255A3 (de) 2006-07-19
ES2320746T3 (es) 2009-05-28
DE50311306D1 (de) 2009-04-30
DE10312712A1 (de) 2004-09-30
EP1460255B1 (de) 2009-03-18

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