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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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Aus der
DE 101 40 151 A1 ist eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Schadstoffemissionen und/oder der Geräuschmissionen eine Kraftstoffeinspritzanlage bekannt. Hierzu werden Injektoren mit ähnlichen Kennlinienverläufen klassifiziert. Insbesondere werden Injektoren mit einem ähnlichen plateauförmigen Verlauf gleichen Klassen zugeordneten. Bei Injektoren einer Klasse wird durch geeignete Maßnahmen zu große oder zu kleine Einspritzmengen bei der Voreinspritzung ausgeglichen. Als Maßnahmen ist beispielsweise ein Eingriff auf den Raildruck oder die Abgasrückführung vorgesehen.
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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 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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8 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 Hochdruckspeiclier 14 ist über weitere Hochdruckleitungen mit Injektoren 18 verbunden. In der vorliegenden Darstellung sind zur Vereinfachung nur eine Hochdruckleitung 16 und ein Injektor 18 gezeigt. Der Injektor 18 ist in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Das dargestellte Einspritzsystem wird von einem Motorsteuergerät 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 Einspritzventil
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 200 μs und 240 μs. In diesem Ansteuerdauerbereich verändert sich die Voreinspritzmenge vorliegend zwischen etwa 1,2 mm3/H und 2,2 mm3/H, wobei H Hub bedeutet, dies entspricht zwischen 1,2 mm3 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 = 220 μs, so dass die vorliegend maximal mögliche AD-Verkürzung 410 den Wert –20 μs und die maximal mögliche AD-Erhöhung 415 den Wert +20 μs 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 240 μs gesetzt, wohingegen oberhalb von Werten m_Einspr[AD(oG)] die Ansteuerdauer vorliegend auf den festen Wert von 200 μs 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 240 μs (AD(oG)) gesetzt wird. Für Mengenwerte > 1,0 mm3/H und < 1,5 mm3/H wird die Ansteuerdauerwerte gezielt im Bereich zwischen 235 und 225 μs, und zwar vorliegend zwischen diesen Werten interpoliert, gesetzt. Die Interpolation erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung anhand diskreter Zwischenwerte, bspw. in Schritten der Weite 2 μs. 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 200 μs vorgenommen. Für Mengenwerte > 1,8 mm3/H wird schließlich die maximale AD-Verkürzung (AD(uG)) von 200 μs 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).