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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Mehrfacheinspritzungen eines Einspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, einen maschinenlesbaren Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
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Stand der Technik
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Bei „Common-Rail“-Einspritzsystemen zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen ist bekannt, die zeitlichen Abstände zwischen einzelnen Einspritzungen bzw. die Dauer einzelner Einspritzungen zu verändern, um die in Brennkammern der Brennkraftmaschine ablaufenden Verbrennungsprozesse zu beeinflussen. Die Einspritzung erfolgt bekanntermaßen durch Injektoren, welche mittels Düsennadeln betätigt werden.
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Werden die zeitlichen Abstände zwischen einzelnen Einspritzungen zu kurz, kommt es bekanntermaßen zu einem „Durchfördern“ von Kraftstoff, d.h. wenigstens zwei einzelne Einspritzungen gehen ineinander über und wirken wie eine einzige längere Einspritzung. Dadurch kommt es zu einem signifikanten, nahezu unkontrollierbaren Anstieg der Einspritzmenge und im Ergebnis zu einer Verschlechterung des Verbrennungsprozesses.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein genanntes Durchfördern von Kraftstoff auch zur Folge hat, dass der Schließzeitpunkt einer genannten Düsennadel eines jeweils betroffenen Injektors zeitlich verzögert erfolgt bzw. nach spät verschoben wird. Dieser Effekt wird sich erfindungsgemäß – sozusagen im Wege einer Umkehrung – dadurch zunutze gemacht, dass ein Durchfördern bei zeitlich aufeinander folgenden Mehrfacheinspritzungen, insbesondere bei zwei aufeinander folgenden Einfacheinspritzungen bzw. Teileinspritzungen, durch Erfassung des genauen Schließzeitpunktes einer betroffenen Düsennadel indirekt erkannt bzw. überwacht wird. Eine genannte Erfassung des Schließzeitpunktes einer Düsennadel kann in an sich bekannter Weise mittels Nadelschließsensoren erfolgen.
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Bei einer erkannten Veränderung des Nadelschließzeitpunktes und/oder einer erkannten zeitlichen Verzögerung des Nadelschließvorganges wird auf das Vorliegen eines Durchförderzustandes geschlossen, welcher regelmäßig mit einem deutlichen Einspritzmengenanstieg verbunden sein wird. Einem so erkannten Durchförderzustand kann bevorzugt durch Anpassung bzw. Veränderung des zeitlichen Abstandes zwischen den wenigstens zwei Teileinspritzungen und/oder der Ansteuerdauer der wenigstens zwei Teileinspritzungen wirksam entgegengewirkt werden bzw. dieser an sich unerwünschte Betriebszustand aufgehoben bzw. beendet werden.
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So kann der zeitliche Abstand zwischen den wenigstens zwei Teileinspritzungen bei erkanntem Durchförderzustand um einen entsprechenden, vorab empirisch bestimmten Korrekturwert erhöht werden und/oder die Ansteuerdauer der wenigstens zwei Teileinspritzungen um einen entsprechenden, vorab empirisch bestimmten Korrekturwert verringert werden. Ein geeigneter Korrekturwert kann injektorspezifisch aus einer Korrekturwertetabelle oder dergleichen entnommen werden, in der z.B. Korrekturwerte sämtlicher Injektoren einer oder mehrerer Brennkraftmaschinen abgelegt sind. Dadurch kann das Verfahren vorteilhaft bei einem gesamten Einspritzsystem angewendet werden.
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Die Erfassung und Beurteilung genannter Änderungen des Nadelschließzeitpunktes können vorteilhaft anhand einer Schwellenwert-Überwachung realisiert werden, wobei ein geeigneter erster Schwellenwert insbesondere des genannten, zeitlich verzögerten Nadelschließzeitpunktes im Vorfeld empirisch ermittelt wird. Denn erst bei Vorliegen einer bestimmten Verzögerung des Nadelschließens kann sicher davon ausgegangen werden, dass es zu einem Durchfördern von Kraftstoff zwischen zwei Einspritzungen gekommen ist.
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Durch die genaue Erkennung bzw. Überwachung des Nadelschließzeitpunktes können zudem kleinste, hydraulisch mögliche Einspritzabstände realisiert werden und sogar im laufenden Betrieb des Einspritzsystems bzw. einer zugrunde liegenden Brennkraftmaschine eine präzise Anpassung bzw. Nachregelung/steuerung der Einspritzabstände erfolgen.
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Darüber hinaus können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, ebenfalls im laufenden Betrieb, etwa auftretende Wirkkettentoleranzen oder Fertigungstoleranzen, insbesondere entsprechende Toleranzen der hier betroffenen Einspritzdüsen bzw. Einspritzventile, mit einer genannten Nachregelung (Regelschleife) wirksam kompensiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann erst nach erkanntem Vorliegen zweier zeitlich aufeinanderfolgender Teileinspritzungen durchgeführt werden, wodurch Systemkapazitäten bzw. -ressourcen eingespart werden können. Dabei kann zudem geprüft werden, ob der zeitliche Abstand zwischen den beiden Teileinspritzungen einen empirisch vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreitet. Denn erst bei Unterschreiten dieses zweiten Schwellenwertes kann ein genanntes Durchfördern von Kraftstoff überhaupt erst erfolgen.
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Die Erfindung kann insbesondere bei einem genannten Common-Rail-Einspritzsystem zur Anwendung kommen, jedoch grundsätzlich auch bei anderen Einspritzsystemen, in denen es zu zeitlich aufeinander folgenden Mehrfacheinspritzungen kommt, z.B. bei Einspritzsystemen zur Einspritzung von Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) zu Zwecken der Abgasnachbehandlung bzw. Reduktion von bei der Verbrennung von Kraftstoff auftretenden Stickoxiden.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um Mehrfacheinspritzungen bei einem Einspritzsystem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a–c zeigen schematisch im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen bzw. Sensoriken zur Erfassung des Schließzeitpunktes einer Düsennadel eines Common-Rail-Einspritzventils.
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2a–c zeigen an einem Common-Rail-Einspritzsystem gemessene Kurven der Injektorbestromung, der Einspritzrate und der Düsennadelbewegung, und zwar vergleichend gemäß dem Stand der Technik und bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1a zeigt eine aus
EP 1 961 952 A1 bekannte Sensorik zur Erfassung bzw. Erkennung des Injektornadelschließens bei einem Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine. Die Sensorik umfasst einen Sensor
405 zur Detektion der Öffnungsbewegung und/oder der Schließbewegung einer (hier nicht gezeigten) Düsennadel eines jeweiligen Einspritzventils bzw. Injektors, insbesondere zur Detektion des Schließ- und/oder des Öffnungszeitpunktes der Düsennadel. Der Sensor
405 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als piezoelektrischer oder mikromechanischer Beschleunigungssensor ausgebildet und dient zum Detektieren von durch die Düsennadelbewegung verursachten mechanischen Schwingungen.
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Die in 1a gezeigte Vorrichtung umfasst ferner ein Sensormodul 400 zur Festlegung der von dem jeweiligen Injektor in den jeweiligen Brennraum einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine einzuspritzenden Menge an Kraftstoff. Das Sensormodul 400 umfasst insbesondere einen genannten, vorliegend als piezoelektrischer Beschleunigungssensor ausgebildeten Schwingungssensor 405 zur Detektion des Schließzeitpunktes einer Düsennadel des Injektors. Ferner ist ein Mikroprozessor 410 zur Aufbereitung der Messdaten vorgesehen. Zusätzlich umfasst das Sensormodul 400 einen Temperatursensor 415, mit dem die Kraftstofftemperatur im Injektor oder in einer Injektorzuleitung in unmittelbarer Nähe zum Injektor messbar ist. Weiterhin ist ein Datenspeicher 420 vorgesehen, in dem injektorspezifische Kompensationsgrößen abgelegt sind und von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine abgefragt werden können. Die elektronischen Bauelemente 405, 410, 415, 420 des Sensormoduls 400 sind auf einem in diesem Ausführungsbeispiel als keramische Leiterplatte ausgebildeten Schaltungsträger 430 angeordnet.
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Aus
WO 2011 085 867 A1 ist eine alternative Vorrichtung bzw. Sensorik zur Erfassung des Schließzeitpunktes einer hier betroffenen Düsennadel bekannt, mit welcher die Schließzeitpunkte der Düsennadel und damit die Betriebsphasen der Kraftstoffeinspritzung besonders präzise ermittelbar sind. Diese Vorrichtung beruht auf dem Prinzip, dass beim Schließen bzw. Öffnen der Düsennadel charakteristische Druckänderungen auftreten, die sehr genau erfassbar sind. Dabei macht man sich insbesondere die Erkenntnis zunutze, dass sich der Steuerraumdruck am Beginn und am Ende der Einspritzphase eines Kraftstoffinjektors signifikant ändert, wobei der Steuerraumdruck anhand einer Druckmessung erfassbar ist.
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1b zeigt einen in
WO 2011 085 867 A1 gezeigten, ausschnittsweisen Axialschnitt eines hier betroffenen Kraftstoffinjektors, der innerhalb eines Injektorkörpers
1 einen Hochdruckraum
2 sowie einen Niederdruckraum
3 aufweist. Diese beiden Druckräume sind voneinander durch ein Ventilstück
4 getrennt. Der Hochdruckraum
2 kommuniziert über einen Zulaufkanal
5 z.B. mit einem nicht dargestellten Common Rail. Der Niederdruckraum
3 ist über eine Rücklaufleitung
21 mit einem Kraftstofftank verbunden.
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Der Hochdruckraum 2 ist über nicht dargestellte Einspritzdüsen mit dem Brennraum eines ebenfalls nicht dargestellten Verbrennungsmotors verbindbar. Die Einspritzdüsen werden in bekannter Weise mittels einer Düsennadel gesteuert, von der in 1b nur das düsenferne Ende, welches als Plunger 6 ausgebildet ist, dargestellt ist. Der Plunger 6 ist verdrängerwirksam in einem im Ventilstück 4 angeordneten Steuerraum 7 angeordnet. Dieser Steuerraum 7 kommuniziert über eine Zulaufdrossel 8 mit dem Hochdruckraum 2 und über einen vorzugsweise gedrosselten Ablaufkanal 9 mit dem Niederdruckraum 3, wobei der Ablaufkanal 9 mittels einer Steuerventilanordnung 10 gesteuert wird. Wenn der Ablaufkanal mittels der Steuerventilanordnung 10 abgesperrt wird und die Düsennadel sich in ihrer Schließlage befindet, stellt sich im Steuerraum 7 der gleiche Hochdruck wie im Hochdruckraum 2 ein, mit der Folge, dass der Plunger 6 in 1b nach abwärts gepresst und die damit verbundene Düsennadel in der die Einspritzdüsen absperrenden Schließlage gehalten wird. Wird der Ablaufkanal 9 mittels der Steuerventilanordnung 10 geöffnet, stellt sich im Steuerraum 7 ein gegenüber dem Hochdruck im Hochdruckraum 2 verminderter Druck ein, und der Plunger 6 verschiebt sich zusammen mit der Düsennadel in 1b in Aufwärtsrichtung, d.h. die Düsennadel wird in deren Offenlage gestellt, so dass Kraftstoff durch die Einspritzdüsen in den Brennraum eingespritzt wird.
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Die Steuerventilanordnung 10 besitzt einen hülsenförmigen Schließkörper 11, der von einer Schließfeder 12, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, gegen einen zur Auslassmündung des Ablaufkanals 9 konzentrischen Sitz gespannt wird. Der hülsenförmige Schließkörper 11 ist auf einer zur Längsachse 100 des Injektorkörpers 1 gleichachsigen Führungsstange 13 axial verschiebbar geführt, wobei der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Schließkörpers 11 und dem Außenumfang der Führungsstange 13 als leckagefreier Dichtspalt fungiert.
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Wenn der Schließkörper 11 die in 1b dargestellte Schließlage einnimmt, wird der innerhalb des Schließkörpers 11 gebildete Druckraum 14, welcher über den Ablaufkanal 9 mit dem Steuerraum 7 kommuniziert und dann dementsprechend gleichen Fluiddruck wie der Steuerraum 7 aufweist, gegenüber dem Niederdruckraum 3 abgesperrt. Am Schließkörper 11 ist ein sternförmiger Anker 15 einer Elektromagnetanordnung 16 angeordnet, die als Aktor zur Betätigung der Steuerventilanordnung 10 vorgesehen ist. Diese Elektromagnetanordnung 16 besitzt in bekannter Weise eine Magnetspule 17, die innerhalb einer zur Führungsstange 13 konzentrischen Elektromagnetanordnung mit einem ringförmigen Außenpol 18 und einem ringförmigen Innenpol 19 angeordnet ist. Wird die Magnetspule 17 elektrisch bestromt, wird der Anker 15 von den Polen 18 und 19 magnetisch angezogen, so dass der Schließkörper 11 gegen die Kraft der Schließfeder 12 von seinem Sitz abgehoben und die Steuerventilanordnung 10 geöffnet wird.
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Während der geschlossenen Phase der mit dem Plunger 6 verbundenen Düsennadel, d.h. bei geschlossenen Einspritzdüsen, ist die Steuerventilanordnung 10 geschlossen, und im Druckraum 14 sowie im Steuerraum 7 liegen gleiche Fluiddrucke vor. Unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt der Düsennadel sinkt der Druck im Steuerraum 7 wegen des zu diesem Zeitpunkt geringen Drucks unter dem Düsensitz der Düsennadel und der damit einhergehenden Schließbewegung des Plungers 6 unter den Hochdruck im Zulaufkanal 5 ab. Unmittelbar nach dem Schließen der Düsennadel kommt es wegen des nun stillstehenden Plungers 6 zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 7, wobei der Steuerraumdruck auf den Druck im Zulaufkanal 5 ansteigt. Der Druck im Steuerraum 7 und der damit praktisch identische Druck im Druckraum 14 weisen folglich zum Schließzeitpunkt der Düsennadel ein ausgeprägtes Minimum auf.
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In 1c ist für einen in 1b gezeigten Injektor der Verlauf des Düsennadelhubes (Diagramm A) und der Verlauf des Steuerraumdrucks (Diagramm B) beispielhaft dargestellt. Da der Druck des Steuerraums 7 bei geschlossenem Schließkörper 11 auch im Druckraum 14 vorliegt, wird die Führungsstange 13 innerhalb des Schließkörpers 11 in dieser Ventilstellung stirnseitig immer vom Steuerraumdruck belastet. Der Steuerraumdruck wird insbesondere mittels der Führungsstange 13 auf einen in 1b schematisch dargestellten Drucksensor 20 übertragen, so dass eine nicht dargestellte, eingangsseitig mit dem Drucksensor 20 verbundene Auswerteschaltung ständig Informationen über den Druck im Steuerraum 7 erhält und damit insbesondere die Schließzeitpunkte der Düsennadel erfasst. Die genannte Auswerteschaltung kann in einem Steuergerät der nicht dargestellten Brennkraftmaschine integriert sein.
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Eine beschriebene Sensorik zur Detektion des Schließzeitpunktes einer Düsennadel liefert als Messsignal eine Spannung bzw. Spannungsänderung im Bereich von etwa 1 V. Anstelle der in den vorhergehenden Figuren gezeigten piezoelektrischen Sensorik zur Detektion des Schließzeitpunktes sind auch piezoresistive Elemente möglich, die dem sog. piezoresistiven Effekt ausnutzen, der darin besteht, dass viele Materialien ihren spezifischen elektrischen Widerstand unter der Einwirkung von Druckkräften ändern.
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Die in 2a gezeigten Kurven 200, 205 weisen einen relativ geringen zeitlichen Abstand der Bestromung zwischen einer ersten Einspritzung 210 und einer zeitlich nachfolgenden zweiten Einspritzung 215 auf. Die in 2b gezeigte, bei der genannten Bestromung durchgeführte Einspritzratenmessung ergibt zwei zeitlich nicht ausreichend getrennte Einspritzungen 220. Die nicht ausreichende zeitliche Trennung wird insbesondere dadurch hervorgerufen, dass die Einspritzrate im Fall der Bestromung gemäß Kurve 200 zwischen den beiden Einspritzungen 220 nicht auf den Ausgangswert von etwa 0 mV abfällt, sondern nur auf einen deutlich höheren Wert von etwa 70 mV.
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Wie aus der Einspritzratenmessung gemäß 2b ebenfalls ersichtlich, ergeben sich bei einem größeren Abstand der Bestromung zwischen der ersten Einspritzung 210 und der zweiten Einspritzung 215 gemäß Kurve 205 zwei deutlich separierte Einspritzungen 225.
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Erfindungsgemäß bewirkt die fehlende bzw. nicht ausreichende zeitliche Trennung der beiden Einspritzungen 220 auch eine zeitliche Verschiebung bzw. Verzögerung des Düsennadelschließvorganges. Die in 2c gezeigten, sich bei der Bestromung gemäß Kurven 200, 205 ergebenden Messkurven der Injektordüsennadelbewegung 230, 235 illustrieren diesen Zusammenhang, denn die aus der früheren Bestromung 210 resultierende Messkurve 230 ist gegenüber der aus der späteren Bestromung 205 resultierenden Messkurve 235 zeitlich deutlich nach spät verschoben, und zwar in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um etwa 0,05 ms nach spät verschoben.
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Es ist anzumerken, dass die jeweilige Skalierung der X- und Y-Achse der in den 2a bis 2c gezeigten Messkurven nur die Ergebnisse von an einem Mess- bzw. Versuchsstand gewonnenen Versuchsbeispielen darstellen und daher die gezeigten konkreten Messwerte für die Erfindung in keiner Weise einschränkend zu verstehen sind.
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Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Nadelschließvorgang bzw. ein entsprechender, genannter elektrischer Spannungswert, d.h. Zeitpunkt und/oder Höhe des Spannungswertes, erfasst 300. Auf der Grundlage des erfassten Spannungswertes wird geprüft 305, ob der dabei ebenfalls erfasste Zeitpunkt des Nadelschließens, größer als ein empirisch vorgegebener Schwellenwert, nach zeitlich spät verschoben ist. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird erneut ein Nadelschließvorgang erfasst, da bei Nichterfülltsein dieser Bedingung 305 erfindungsgemäß angenommen wird, dass kein vorbeschriebenes Durchfördern von Kraftstoff mit den genannten nachteiligen Folgen für den Verbrennungsvorgang erfolgt ist.
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Ergibt die Prüfung 305 allerdings, dass die genannte Bedingung erfüllt ist, wird das Vorliegen eines Durchförderns von Kraftstoff zwischen den jeweiligen beiden Einspritzungen angenommen bzw. erkannt 310 und im nachfolgenden Schritt 315 eine Anpassung, insbesondere Erhöhung des zeitlichen Abstandes zwischen den Bestromungskurven der beiden Einspritzungen durchgeführt, wodurch dem genannten Durchfördern von Kraftstoff entgegengewirkt wird bzw. dieses unterdrückt bzw. beendet wird.
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Es ist anzumerken, dass die in 3 gezeigte Routine bevorzugt erst bei Erkennen bzw. Vorliegen zweier zeitlich aufeinanderfolgender Einspritzungen gestartet wird.
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Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1961952 A1 [0018]
- WO 2011085867 A1 [0020, 0021]
