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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur
eines Kraftstoffes in einem Einspritzsystem gemäß Patentanspruch 1 und gemäß Patentanspruch
7.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen
die Temperatur des Kraftstoffes in einem Einspritzsystem ermittelt
wird. Beispielsweise wird die Kraftstofftemperatur an einem Abschnitt
des Einspritzsystems gemessen und anhand der gemessenen Temperatur
wird mit Hilfe von physikalischen Modellen die Temperatur an einer
anderen Stelle des Einspritzsystems ermittelt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verfahren zur Ermittlung der
Temperatur des Kraftstoffes in einem Einspritzsystem bereitzustellen,
bei dem kein Kraftstofftemperatursensor erforderlich ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Verfahren gemäß Patentanspruch
1 und 7 gelöst.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren
besteht darin, dass ein Kraftstofftemperatursensor eingespart wird.
Damit ist das Einspritzsystem kostengünstig aufgebaut. Dieser Kostenvorteil
wird in einer Ausführungsform
dadurch erreicht, dass der Elastizitätsmodul des Kraftstoffs im
Einspritzsystem anhand des Kraftstoffdruckes ermittelt wird und
anhand des Elastizitätsmoduls
die Temperatur des Kraftstoffes bestimmt wird.
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In
einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird der Vorteil dadurch erreicht, dass die Temperatur des Kraftstoffes
vor einer Vorpumpe in Abhängigkeit
von der Ansauglufttemperatur und einem Kraftstoffdruck im Einspritzsystem ermittelt
wird. Anhand der zwei beschriebenen Verfahren ist es möglich, die
Kraftstofftemperatur im Einspritzsystem ohne einen Kraftstofftemperatursensor zu
ermitteln.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Verfahren
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird der Elastizitätsmodul
des Kraftstoffes in einem Kraftstoffspeicher des Einspritzsystems
berechnet, wobei eine Druckänderung
im Kraftstoffspeicher, das Volumen des Kraftstoffspeichers und ein
Kraftstoffstrom durch den Kraftstoffspeicher berücksichtigt wird. Auf diese Weise
ist eine präzise
Berechnung des E-Moduls möglich.
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Abhängig von
der gewählten
Ausführungsform
kann der Zusammenhang zwischen dem E-Modul und der Temperatur des
Kraftstoffes anhand von Diagrammen oder Tabellen oder Formeln abgelegt sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Temperatur des Kraftstoffes vor der Vorpumpe mit Hilfe
eines Korrekturwertes ermittelt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird mit Hilfe eines Korrekturwertes in Abhängigkeit von der Temperatur
des Kraftstoffes im Kraftstoffspeicher die Temperatur des Kraftstoffes
in einem Leckagestrom eines Einspritzventils berechnet.
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Abhängig von
der gewählten
Ausführungsform
werden Korrekturwerte in Abhängigkeit
von wenigstens einem der vorliegenden Parameter verwendet: Kühlwassertemperatur,
Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher, Ansauglufttemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit,
Kraftstoffstrom in den Kraftstoffspeicher und/oder Kraftstoffstrom
aus dem Kraftstoffspeicher.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird bei der Ermittlung der Kraftstofftemperatur ein Parameter in
Abhängigkeit
von einem Kaltstart der Brennkraftmaschine oder einem Warmstart
der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
Damit wird die Berechnung der Kraftstofftemperatur insbesondere
für die
Berechnung der Kraftstofftemperatur vor einer Vorpumpe genauer möglich.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems,
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2 ein
Diagramm für
die Abhängigkeit zwischen
der Kraftstofftemperatur und dem Elastizitätsmodul,
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3 eine
schematische Darstellung einer Berechnungsmethode für die Kraftstofftemperatur vor
der Vorpumpe und im Leckagestrom der Einspritzventile,
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4 eine
schematische Darstellung einer weiteren Berechnungsmethode für die Kraftstofftemperatur
vor der Vorpumpe,
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5 eine
weitere schematische Darstellung für die Berechnung der Kraftstofftemperatur
im Kraftstoff-Rail und im Leckagestrom der Einspritzventile.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Kraftfahrzeug 1 mit
einem Einspritzsystem 2, mit einer Brennkraftmaschine 3,
die Räder 14 antreibt.
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Das
Einspritzsystem 2 weist einen Kraftstofftank 5 und
eine Zuleitung 6 zu einer Pumpe 7 auf. Die Pumpe 7 ist
mit einem Ausgang an einen Kraftstoffspeicher 8 angeschlossen.
Die Pumpe 7 kann als Hochdruckpumpe ausgebildet sein, die
Drücke
von bis zu 2000 bar im Kraftstoffspeicher 8 erzeugen kann.
Einspritzventile 9 sind mit dem Kraftstoffspeicher 8 verbunden
und werden vom Kraftstoffspeicher 8 mit Kraftstoff versorgt.
Die Einspritzventile 9 sind einem Brennraum der Brennkraftmaschine 3 zugeordnet.
Die Einspritzventile 9 und die Pumpe 7 sind über Steuerleitungen
mit dem Steuergerät 4 verbunden. Die
Brennkraftmaschine 3 weist einen Ansaugtrakt 10 zum
Ansaugen von Frischluft auf. Zudem ist ein Abgastrakt 11 vorgesehen, über den
Abgase von der Brennkraftmaschine 3 abgegeben werden. Weiterhin steht
die Brennkraftmaschine 3 über ein Ge triebe mit den Rädern 14 in
Verbindung. Zudem verfügt
die Brennkraftmaschine 3 über ein Kühlsystem 12 mit Kühlflüssigkeit,
die die Brennkraftmaschine 3 kühlt.
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Am
Kraftstofftank 5 ist ein Füllstandsensor 13 vorgesehen,
der mit dem Steuergerät 4 verbunden
ist. Weiterhin ist am Kraftstoffspeicher 8 ein Drucksensor 15 vorgesehen,
der mit dem Steuergerät 4 verbunden
ist. Zudem ist am Ansaugtrakt 10 ein Lufttemperatursensor 16 vorgesehen,
der mit dem Steuergerät 4 verbunden
ist. Weiterhin ist ein Kühlmitteltemperatursensor 17 vorgesehen,
der die Temperatur der Kühlflüssigkeit
des Kühlsystems 12 erfasst
und mit dem Steuergerät 4 verbunden
ist. Zudem ist ein Geschwindigkeitssensor 18 vorgesehen, der
ebenfalls an das Steuergerät 4 angeschlossen ist.
Der Geschwindigkeitssensor 18 erfasst die Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeuges 1 und gibt diese an das Steuergerät 4 weiter.
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Zudem
sind weitere Sensoren vorgesehen, die mit dem Steuergerät 4 verbunden
sind, die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise
die Drehzahl, das Drehmoment oder einen Fahrerwunsch in Form einer
Gaspedalstellung an das Steuergerät 4 weiterleiten.
Das Steuergerät 4 ist mit
einem Datenspeicher 19 verbunden, in dem Daten, Tabellen
und Steuerprogramme abgelegt sind, mit denen die Pumpe 7,
die Einspritzventile 9 und die Brennkraftmaschine 3 beispielsweise
eine Drosselklappe und/oder Ein- und Auslassventile gesteuert werden.
Auf diese Weise wird abhängig
von einem Fahrerwunsch das vom Fahrer gewünschte Drehmoment von der Brennkraftmaschine
bereitgestellt. Dazu ist es erforderlich, dass der Kraftstoff im
Kraftstoffspeicher 8 einen vorgegeben Druck aufweist und mit
Hilfe der Einspritzventile 9 eine gewünschte Kraftstoffmenge zu vorgegebenen
Zeitpunkten eingespritzt wird.
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Weiterhin
ist eine Leitung 20 nach der Pumpe 7 und eine
Leckageleitung 21 von den Einspritzventilen 9 zurück zum Tank 5 geführt. Über die
Leitung 20 wird beispielsweise Leckage der Pumpe 7 oder
Kraftstoff bei zu hohem Druck im Kraftstoffspei cher 8 zum
Kraftstofftank 5 abgeführt. Über die
Leckageleitung 21 wird Leckage der Einspritzventile 9 zum
Kraftstofftank 5 zurückgeführt.
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Für eine präzise Einspritzung
einer festgelegten Kraftstoffmenge, insbesondere zur Einhaltung von
geringen Schadstoffgrenzen, ist es notwendig, die Kraftstofftemperatur
an den Einspritzventilen 9 zu kennen. Zudem ist es vorteilhaft,
die Kraftstofftemperatur vor der Pumpe 7 oder im Kraftstoffspeicher 8 zu kennen.
Das beschriebene Verfahren ermittelt ohne einen Kraftstofftemperatursensor
die Kraftstofftemperatur an verschiedenen Stellen des Einspritzsystems.
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In
einer ersten Ausführungsform
wird die Kraftstofftemperatur mit Hilfe eines ermittelten E-Moduls
des Kraftstoffes berechnet. Dazu wird folgende physikalische Abhängigkeit
verwendet: (d(PFU)/dt) = (E/(V·ΔQ),wobei
mit PFU der Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 8, mit
E der Kompressibilitätsmodul
(E-Modul) des Kraftstoffes, mit V das Volumen des Kraftstoffes im
Kraftstoffspeicher und mit ΔQ
das zugeführte
Volumen an Kraftstoff zum Kraftstoffspeicher 8 bezeichnet
ist. Mit (d(PFU)/dt) ist die zeitliche Ableitung des Kraftstoffdruckes
in Abhängigkeit
von der Zeit bezeichnet. Der Kraftstoffdruck PFU wird mit Hilfe
des Drucksensors 15 gemessen, das Volumen des Kraftstoffspeichers 8 ist
bekannt und der Volumenzufluss ist ebenfalls bekannt. Beim Volumen
wird vorzugsweise auch das Volumen der Leitung von der Pumpe 7 zum
Kraftstoffspeicher 8 und die Leitung vom Kraftstoffspeicher
zu den Einspritzventilen 9 berücksichtigt. Auf diese Weise
kann der E-Modul berechnet werden. Der E-Modul bezeichnet eine Eigenschaft des
Kraftstoffes, die vom Druck und von der Temperatur abhängt. Wenn
der E-Modul und der Druck bekannt sind, dann kann die Temperatur
des Kraftstoffes berechnet werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird der Kraftstoffdruck mit Hilfe des Drucksensors 15 im
Kraftstoffspeicher 8 erfasst und an das Steuergerät 4 weitergeleitet.
Das Volumen des Kraft stoffspeichers ist im Datenspeicher 19 abgelegt.
Zudem steuert das Steuergerät 4 die
Pumpe 7 und die Einspritzventile 9, so dass das
dem Kraftstoffspeicher 8 zugeführte Volumen an Kraftstoff
im Steuergerät 4 bekannt
ist. Sollte die Pumpe 7 nur von der Drehzahl der Brennkraftmaschine
abhängen,
so kann das Steuergerät 4 über die
Drehzahl der Brennkraftmaschine und über das bekannte Fördervolumen
der Pumpe 7 das zugeführte
Kraftstoffvolumen ermitteln. Das Steuergerät erfasst nun in zwei aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten die zeitliche Änderung
des Kraftstoffdruckes und zudem das zugeführte Kraftstoffvolumen in den
Kraftstoffspeicher und berechnet daraus anhand folgender Formel
den E-Modul: E = (d(PFU)/dt)·(V/ΔQ).
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Aufgrund
des bekannten E-Moduls kann nun das Steuergerät 4 die Kraftstofftemperatur
in Form von Formeln oder Tabellen ermitteln, in denen der E-Modul
abhängig
vom Druck und der Temperatur abgelegt ist.
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2 zeigt
ein Diagramm, bei dem die Abhängigkeit
des E-Moduls von
der Temperatur für
verschiedene Kraftstoffdrücke
aufgezeichnet ist. Dabei ist die Temperatur auf der y-Achse in Grad
Celsius und der E-Modul auf der x-Achse in bar aufgetragen. In dem
Diagramm ist eine erste Linie A für den E-Modul bei 200 bar Kraftstoffdruck, eine
zweite Linie B für den
E-Modul für
einen Druck von 600 bar, eine dritte Linie C für einen Kraftstoffdruck von
1000 bar, eine vierte Linie D für
einen Kraftstoffdruck von 1400 bar und eine fünfte Linie E für einen
Kraftstoffdruck von 1800 bar aufgezeichnet. Anstelle der einzelnen
Linien können
auch Kennfelder für
die Darstellung des E-Moduls in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck
und von der Temperatur vorgesehen sein.
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Ermittelt
nun beispielsweise das Steuergerät 4 bei
einem Kraftstoffdruck von 200 bar im Kraftstoffspeicher 8 einen
E-Modul von 15000
bar, so kann das Steuergerät 4 anhand
dieses Wertes und anhand der in 2 dargestellten
ersten Diagrammlinie A eine Temperatur von 40°C ermitteln.
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Somit
ist es auf diese Weise möglich,
die Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher 8 unabhängig von
einem Kraftstofftemperatursensor zu ermitteln.
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Die
in den Figuren beschriebenen Verfahren werden vom Steuergerät 4 ausgeführt.
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3 zeigt
schematisch den Aufbau eines Verfahrens, mit dem das Steuergerät 4 den
Kraftstoffdruck in der Zuleitung 6 und am Einspritzventil 9 berechnen
kann. Dabei geht das Steuergerät 4 bei
Programmpunkt 100 von der mit Hilfe des E-Moduls berechneten
Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher 8 aus. Die Kraftstofftemperatur
im Kraftstoffspeicher stellt einen Basiswert zur Berechnung der
Kraftstofftemperatur in der Zuleitung 6 vor der Pumpe 7 und
im Leckagestrom in der Leckageleitung 21 dar.
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Zur
Berechnung des Temperaturwertes in der Zuleitung 6 werden
Tabellen und/oder Kennfelder verwendet, bei denen die Kühlwassertemperatur TCO,
die mit Hilfe des Kühlmitteltemperatursensors 17 an
das Steuergerät 4 weitergeleitet
wird, der Kraftstoffdruck PFU im Kraftstoffspeicher 8,
der mit Hilfe des Drucksensors 15 erfasst wird, die Temperatur TIA
der Ansaugluft, die vom Lufttemperatursensor 16 im Ansaugtrakt 11 erfasst
und an das Steuergerät 4 weitergegeben
wird, die Fahrzeuggeschwindigkeit VS, die mit Hilfe des Geschwindigkeitssensors 18 erfasst
und an das Steuergerät 4 weitergegeben
wird und der Volumenstrom an Kraftstoff durch die Zuleitung 6 berücksichtigt
wird. Dazu werden die entsprechenden Messwerte erfasst und mit den
zugeordneten Tabellen und/oder Kennfeldern Korrekturwerte ermittelt,
mit denen bei einem Berechnungsblock 110 anhand der mit
Hilfe des E-Moduls ermittelten Kraftstofftemperatur die Kraftstofftemperatur
TFU in der Zuleitung 6 berechnet wird.
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In
der gleichen Weise wird mit einem zweiten Berechnungsblock 120 mit
der anhand des E-Moduls berechneten Kraftstofftemperatur im Kraftstoffspeicher 8 und
in Abhängigkeit
von der Kühlwassertemperatur
TCO, dem Kraftstoffdruck PFU im Kraftstoffspeicher 8, der
Ansauglufttemperatur TIA, der Fahrzeuggeschwindigkeit VS und dem
Volumendurchfluss VFF von Kraftstoff durch das Einspritzventil die Kraftstofftemperatur
TFU_INJ_LEAK im Leckagestrom berechnet. Dazu werden andere Tabellen und/oder
Kennfelder verwendet als bei der Berechnung des Kraftstoffdruckes
in der Zuleitung 6.
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Auf
diese Weise kann der Kraftstoffdruck in der Zuleitung 6 und
der Kraftstoffdruck im Leckagestrom der Leckageleitung 21 der
Einspritzventile 9 mit Hilfe des E-Moduls ermittelt werden.
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4 zeigt
ein alternatives Verfahren zur Berechnung der Kraftstofftemperatur
TFU in der Zuleitung 6. Dazu wird in einem ersten Berechnungsschritt 150 die
Ansauglufttemperatur TIA mit dem Lufttemperatursensor 16 erfasst
und an einen ersten Berechnungsblock 160 weitergeleitet.
Zudem wird ein Korrekturwert in Abhängigkeit von einer Funktion mit
den Parametern Kraftstoffdruck PFU im Kraftstoffspeicher und Kraftstoffdurchfluss
VFF durch die Zuleitung 6 bei einem Programmblock 170 ermittelt und
an eine zweite Berechnungseinheit 180 weitergeleitet. Zudem
wird ein Korrekturwert in Abhängigkeit
von der Kühlwassertemperatur
TCO bei einem Programmblock 190 erfasst und an den zweiten
Berechnungsblock 180 weitergeleitet. Weiterhin wird ein Korrekturwert
in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit VS bei einem Programmblock 200 erfasst
und an die zweite Berechnungseinheit 180 weitergeleitet.
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Zudem
wird mit Hilfe des Füllstandsensors 13 der
Füllstand
FTL des Kraftstofftankes 5 ermittelt. Anhand des Füllstandes
FTL des Tankes 5 wird ein maximaler bzw. minimaler Gradienten
für eine Änderung
der Kraftstofftemperatur bei einem Programmblock 210. Der
maximale bzw. minimale Gradient wird an einen dritten Berechnungsblock 220 weitergeleitet.
Die zweite Berechnungseinheit 180 ermittelt aus den zugeführten Korrekturwerten
einen weiteren Korrekturwert WK, der dem Berech nungsblock 220 zugeführt wird.
Der dritte Berechnungsblock 220 ermittelt eine Begrenzung
des Gradienten für
die Änderung
der Kraftstofftemperatur und gibt diese an den weiteren Berechnungsblock 160 weiter.
Der Berechnungsblock 160 ermittelt aus der Ansauglufttemperatur
TIA, aus einem weiteren Parameter, der einen Kaltstart oder einen
Warmstart berücksichtigt,
der von einem Berechnungsblock 230 bereitgestellt wird, und
dem Begrenzungswert für
den Gradienten, der vom Berechnungsblock 220 zur Verfügung gestellt wird,
die Kraftstofftemperatur TFU in der Zuleitung 6.
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Ausgehend
von der ermittelten Kraftstofftemperatur TFU und der Zuleitung 6 kann
mit dem Berechnungsmodell, das in 5 dargestellt
ist, die Temperatur im Kraftstoffspeicher 8 TFU_RAIL und die
Temperatur im Leckagestrom der Einspritzventile 9 TFU_INJ_LEAK
berechnet werden. Dazu wird die Kraftstofftemperatur TFU als Basiswert
einem ersten Berechnungsblock 300 und einem zweiten Berechnungsblock 310 zur
Verfügung
gestellt. Zudem wird ein erster Korrekturwert 320 in Abhängigkeit
von der Kühlwassertemperatur
TCO, ein zweiter Korrekturwert 330 in Abhängigkeit
von dem Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 8, ein dritter
Korrekturwert in Abhängigkeit
von der Ansauglufttemperatur TIA, ein vierter Korrekturwert 350 in
Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit VS und ein fünfter Korrekturwert in Abhängigkeit
vom Kraftstofffluss durch den Kraftstoffspeicher 8 dem
ersten Berechnungsblock 300 zur Verfügung gestellt. Die Korrekturwerte
werden mit Hilfe von Formeln und/oder Tabellen und/oder Kennfeldern
ermittelt. Der erste Berechnungsblock 300 addiert die zugeführten Korrekturwerte
zu der Kraftstofftemperatur TFU in der Zuleitung 6 und
ermittelt auf diese Weise die Kraftstofftemperatur TFU_RAIL im Kraftstoffspeicher 8.
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Weiterhin
wird ein zehnter Korrekturwert 420 in Abhängigkeit
von der Kühlwassertemperatur
TCO, ein elfter Korrekturwert 430 in Abhängigkeit
vom Kraftstoffdruck PFU im Kraftstoffspeicher, ein zwölfter Korrekturwert 440 in
Abhängigkeit
von der Ansauglufttemperatur TIA, ein dreizehnter Korrekturwert 450 in
Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit VS und ein vierzehnter Korrekturwert 460 in Abhängigkeit
vom Kraftstoffdurchfluss durch die Einspritzventile 9 dem
zweiten Berechnungsblock 310 zur Verfügung gestellt. Zur Ermittlung
der Korrekturwerte werden Tabellen und/oder Kennfelder und/oder Diagramme
verwendet. Die Kennfelder, Diagramme und Formeln für den zehnten
bis 15. Korrekturwert können
andere sein als für
den ersten bis fünften
Korrekturwert. Der zweite Berechnungsblock 310 addiert die
Korrekturwerte zur Kraftstofftemperatur TFU vor der Pumpe 7 und
ermittelt damit die Kraftstofftemperatur im Leckagestrom in der
Leckageleitung 21 der Einspritzventile 9.
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Auch
mit diesen Verfahren ist es möglich,
die Temperatur in der Zuleitung 6, im Kraftstoffspeicher 8 und
im Leckagestrom der Einspritzventile 9 ohne die Verwendung
eines Kraftstofftemperatursensors zu ermitteln.
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Versuche
haben gezeigt, dass für
eine Genauigkeit von +–10°C es erforderlich
ist, den E-Modul mit einer Genauigkeit von +–2,5% im Bereich von 1800 bar
Kraftstoffdruck und mit einer Genauigkeit von +–6,7% im Bereich von 200 bar
Kraftstoffdruck zu ermitteln.
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Die
Formeln, Kennfelder und/oder Diagramme für die Berechnung der Korrekturen
sind mithilfe von physikalischen Modellen oder experimentell festgelegt.