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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und andererseits eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 9.
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Stand der Technik
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Bei
Viertakt-Verbrennungsmotoren dreht sich die Nockenwelle mit der
halben Kurbelwellendrehzahl, weshalb die Drehwinkelstellung der
Nockenwelle zu jedem Zeitpunkt deutlich angibt, wo ein bestimmter
Zylinder in seinem Betriebszyklus oder in welcher Zyklusposition
angeordnet ist. Durch Untersuchen der Drehwinkelstellung der Nockenwelle
ist es daher möglich,
festzustellen, ob die aktuelle Position des Kolbens in einem Zylinder
der ersten oder der zweiten Kurbelwellenumdrehung in jedem Betriebszyklus
des Zylinders zuzuordnen ist. Unter Verwendung von Nockenwellensensoren
ist es somit möglich,
beispielsweise eine elektronische Steuereinheit für ein Kraftstoffeinspritzsystem
mit zuverlässigen
Informationen über
die Zyklusposition in einem Zylinder zu versorgen, so dass die Kraftstoffeinspritzung
immer zum richtigen Zeitpunkt stattfinden kann.
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Es
ist jedoch relativ schwierig, derartige Nockenwellensensoren einzubauen
und diese ausreichend widerstandsfähig zu gestalten, weshalb es wünschenswert
wäre, einfachere
Systeme verwenden zu können,
aber weiterhin eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erreichen. Bei
elektronischen Kraftstoffeinspritrsystemen kann ein Fehler eines derartigen
Nockenwellensensors zu funktionalen Problemen führen, wodurch beispielsweise
die Möglichkeit
verloren geht, die aktuelle Zyklusposition zu bestimmen.
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Es
wurde auch festgestellt, dass es schwierig ist, stattdessen nur
Schwungradsensoren zu verwenden, da sich die Unzuverlässigkeit
dahingehend erhöht,
welche der zwei Kurbelwellenumdrehungen des Motors zu dem Zeitpunkt
vorliegt. Ein anderes Problem in diesem Zusammenhang besteht darin, dass
eine elektronische Steuereinheit, beispielsweise wenn sie in Betrieb
genommen wird oder nach einer Program mieränderung oder dergleichen, gespeicherte
Informationen über
die Position nicht sichern kann, in der die Kurbelwelle zuletzt
angehalten hat, sondern mit dem Motor erneut zu synchronisieren
ist. Ferner kann sich die Kurbelwelle, da der Motor ausgestellt
ist, in Folge dessen gedreht haben, dass das Fahrzeug mit einem
eingelegten Gang bewegt wurde. Derartige Umstände können dazu führen, dass die Steuereinheit
die Situation fehlinterpretiert und in einer nicht korrekten Zyklusposition
arbeitet, woraus sich Betriebsprobleme ergeben können.
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Angesichts
dieses Hintergrundes besteht ein Bedarf an verbesserten Lösungen in
diesem Gebiet.
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Ferner
offenbart Dokument
DE
36 11 262 A1 ein Verfahren zur Erkennung des Arbeitstaktes
eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, wobei ein kurbelwellenwinkelsynchrones
Signal mit einem modulierten Signal verglichen wird. Durch eine
logische Verknüpfung
dieser Signale ergibt sich ein Erkennungssignal, aus dem der Arbeitstrakt
des Zylinders ermittelt werden kann.
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Dokument
DE 197 44 383 A1 offenbart
ein Verfahren zur Unterscheidung zwischen Gaswechsel-Totpunkt und
Zünd-Totpunkt
bei einem Vier-Takt-Ottomotor, in dem nach der unmittelbaren Startphase
des Motors die Kraftstoffzufuhr bei einem Zylinder abgeschaltet
wird, so dass es bei der nächsten
Zündung
zu einem Verbrennungsaussetzer bei diesem Zylinder kommt. Dabei
wird ein Verbrennungsaussetzersignal erfasst und an eine Steuereinheit
weitergeleitet, die den Entstehungszeitpunkt des Verbrennungsaussetzers
als Zünd-Totpunkt
speichert.
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Weiter
offenbart Dokument
DE
198 44 910 A1 eine Einrichtung zur Phasenerkennung bei
einer Brennkraftmaschine, wobei zur Erkennung der Phasenlage der
Brennkraftmaschine die Einspritzung beeinflusst wird. Zur Ermittlung
eines Phasensignals wird die Einspritzung von Kraftstoff für bestimmte
Zylinder unterdrückt
und gleichzeitig eine Drehzahlanalyse durchgeführt.
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Aufgabe der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, es zu ermöglichen, ohne Rückgriff
auf Nockenwellensensoren zuverlässig
die Zyklusposition eines Zylinders in einem Mehrzylinder-Viertakt-Motor
zu bestimmen. Eine andere Aufgabe besteht darin, hierfür eine einfache
und sichere Lösung
vorzulegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Ziele werden erfindungsgemäß einerseits
mittels eines Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmalen und andererseits mittels einer Anordnung mit den in Patentanspruch
9 angegebenen Merkmalen erreicht.
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Indem
erfindungsgemäß auf Nockenwellensensoren
verzichtet wird und lediglich ein Schwungradsensor (Kurbelwellensensor)
verwendet wird, wird eine einfachere, widerstandsfähigere Sensoranordnung
erreicht. Damit sie bei Inbetriebnahme feststellen kann, in welcher
Kurbelwellenumdrehung der zwei Umdrehungen eines Betriebszyklus
ein Zylinder angeordnet ist, wird das Schwungrad zusätzlich zu der
herkömmlichen
Zündpulsoszillation
einer Interferenzoszillation unterworfen. Die überlagerte Interferenzoszillation
kann aus der resultierenden Oszillation ermittelt werden und nach
einem Vergleich der Phasenpositionen der überlagerten Interferenzoszillation
und der Interferenzoszillation ist es möglich, festzustellen, welche
der zwei Kurbelwellenumdrehungen für den Zylinder korrekt ist.
Eine elektronische Steuereinheit, die feststellt, dass die Zyklusposition
nicht korrekt ist, wird veranlasst, ihre Zyklusposition zu korrigieren,
indem sie die notwendige Anzahl von Schritten in der Zündfolge
des Motors überspringt,
so dass die korrekte Zyklusposition erreicht wird. Eine geeignete
Interferenzoszillation wird erzeugt, indem die Kraftstoffzufuhr
zu den Zylindern des Motors temporär verändert wird, so dass gemäß einem
ausgewählten
Muster einige Zylinder mehr Kraftstoff und andere weniger erhalten.
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Indem
gewährleistet
ist, dass eine Steuereinheit bei jeder Inbetriebnahme korrekt eingestellt
werden kann, ist es möglich,
verschiedene Typen von Steuereinheitentypen mit unterschiedlichen
Eigenschaften zusammen mit dem Motor mit hoher Zuverlässigkeit
zu verwenden. Die überlagerte
Interferenzoszillation kann für
den Fahrer des Fahrzeugs nahezu nicht wahrnehmbar erzeugt werden,
indem ihre Frequenz mit der normalen Oszillation abgestimmt wird
und indem der Vorgang zu Beginn der Inbetriebnahme kurz bewirkt
wird.
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Die
erfindungsgemäß hergestellte
Anordnung kann unter Verwendung einfacher Komponenten aufgebaut
und daher einfach und wiederstandsfähig ausgeführt sein.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Beschreibung und Patentansprüchen, die
folgen.
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Die
Erfindung ist im folgenden detailliert mittels veranschaulichender,
in den beigefügten
Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen
beschrieben.
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Beschreibung der Figuren
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 ein
Schwungrad mit einem zugeordneten Drehwinkelsensor,
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2 ein
Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung,
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3 eine
normale, durch einen Zündimpuls erzeugte
Drehzahlvariation des Schwungrads bei Leerlaufdrehzahl in einem
Sechszylindermotor,
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4 eine
Drehzahlvariation entsprechend der in 3, aber
mit einer überlagerten
Interferenzoszillation mit einer Frequenz, die in Folge, dass Zylinder
1, 3 und 5 mit mehr Kraftstoff als die anderen Zylinder versorgt
wurden, der Hälfte
der Zündfrequenz
entspricht,
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5 eine
Drehzahlvariation entsprechend der in 4, wo aber
Zylinder 2, 4 und 6 stattdessen mit mehr Kraftstoff als die anderen
Zylinder versorgt wurden,
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6 die
mit der Kraftstoffmenge gemäß 4 erhaltene
Drehzahlvariation, aber mit einer nicht korrekten Zyklusposition,
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7 eine
Drehzahlvariation des Schwungrades mit einer überlagerten Oszillation gemäß 3,
wobei die durchgezogene Kurve die korrekte Zyklusposition und die
gepunktete/gestrichelte Kurve eine nicht korrekte Zyklusposition
zeigen.
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Beschreibung veranschaulichender
Ausführungsformen
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Bei
einem Viertakt-Verbrennungsmotor wird für jeden Zylinder ein Betriebszyklus
von zwei Kurbelwellenumdrehungen durchgeführt und die Zündung findet
in jedem Zylinder bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung einmal
statt. Eine größere Anzahl
Zylinder bedeutet daher, eine größere Anzahl
Zündungen
pro Kurbelwellenumdrehung, wobei beispielsweise ein Vierzylindermotor
zwei Zündungen
pro Kurbelwellenumdrehung aufweist, während ein Sechszylindermotor
drei Zündungen
und ein Achtzylindermotor vier Zündungen
pro Kurbelwellenumdrehung aufweist. In den Fällen, wo dieser Motortyp mit einer
Kraftstoffeinspritzung ausgestattet ist, ist es wichtig, dass die
Kraftstoffeinspritzung und die Zündung
in jedem Zylinder stattfindet, wenn der Kolben des Zylinders sich
in der korrekten Phase seines Betriebszyklus befindet.
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1 zeigt,
wie ein Schwungrad 1 eines ansonsten nicht gezeigten Motors
mit Kraftstoffeinspritzung, der mit einer Anzahl Anzeigen 2,
beispielsweise in Form von Zähnen,
ausgestattet ist, die in Umfangsrichtung verteilt sind und von einem
Drehwinkelsensor 3 bei Drehung des Schwungrades abgelesen
werden können.
In einer speziellen Position an dem Schwungrad 1 angeordnet
befindet sich eine spezielle Anzeige 4, die dem Sensor 3 mitteilt,
dass sich das Schwungrad um eine Umdrehung gedreht hat, seitdem
die Anzeige 4 zuletzt vorbeigegangen ist. Mittels des Sensors 3 und
der Anzeigen 2, 4 kann die aktuelle Drehwinkelstellung
des Schwungrades festgestellt und außerdem können Oszillationen abgelesen
werden.
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Der
Sensor 3 bildet gemäß 2 einen
Teil eines Motorsteuersystems 5 und ist mit einer Steuereinheit 6 verbunden,
die eine Kraftstoffeinspritzanordnung 7 steuert, mittels
der die Zylinder zum korrekten Zeitpunkt mit Kraftstoff versorgt
werden. Im Fall eines Dieselmotors wird die Zündung ebenfalls zum korrekten
Zeitpunkt erreicht. Im Fall eines Ottomotors weist das Motorsteuersystem 5 ferner
eine Zündanordnung 8 auf,
die von der Steuereinheit 6 gesteuert wird und mittels
der die Zündung
zum korrekten Zeitpunkt ausgeführt
wird. Der Einfachheit halber wird die Erfindung unten detaillierter
mittels veranschaulichender Ausführungsformen
beschrieben, die einen Sechszylindermotor betreffen; sie kann natürlich auch
bei anderen Motorgrößen mit
einer anderen Zylinderanzahl verwendet werden.
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Die
Kurve A in 3 zeigt, wie sich die Drehzahl
des Schwungrades bei normaler Leerlaufdrehzahl während zwei Kurbelwellenumdrehungen ändert, wenn
unterschiedliche Zylinder zünden.
Die vertikale Achse gibt die Drehzahl n als Anzahl Umdrehungen pro
Minute (rpm; engl.: revolutions per minute) und die horizontale
Achse gibt die Anzahl Kurbelwellengrade α von der Position aus an, in
der Zylinder 1 in der Zündfolge
zündet,
die bei 0° stattfindet.
Nach Zylinder 1 zünden
die anderen Zylinder der Reihe nach gemäß der Zündsequenz des Motors bei einem gegenseitigen
Winkelabstand von 120°.
Zylinder 2 zündet
daher bei 120°,
Zylinder 3 bei 240°,
Zylinder 4 bei 360°,
etc. Bei jeder Zündung
erhöht
sich die Drehzahl bis zu einem Spitzenwert und fällt dann wieder ab, bevor sie
bei der nächsten
Zündung
wieder ansteigt. Die Zündfrequenz
beträgt
in diesem Fall daher drei Zündungen
pro Kurbelwellenumdrehung oder sechs Zündungen pro Betriebszyklus.
Von der dargestellten Kurve A kann gesagt werden, dass sie die normale
Zündimpulsoszillation
des Schwungrads bei Leerlaufdrehzahl wiedergibt. Eine vertikale
Line B zeigt, wo die zweite Kurbelwellenumdrehung bei 360° beginnt.
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Wenn
der Motor gestartet werden soll, weiß der Sensor 3 nicht
mit Bestimmtheit, in welcher Zyklusposition ein bestimmter Zylinder
angeordnet ist, das heißt
in welchem Halbzyklus oder in welchem der zwei Kurbelwellenumdrehungen
des Betriebszyklus das Schwungrad zu diesem Zeitpunkt angeordnet
ist. Damit die Steuereinheit 6 korrekt arbeitet, hat sie
jedoch in dem korrekten Halbzyklus jedes Zylinders zu arbeiten.
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Eine
Lösung
für dieses
Problem kann wie folgt erreicht werden: 4 zeigt,
wie sich die in 3 gemäß Kurve A gezeigte Oszillation
in ihrem Verlauf zur Kurve A verändert
hat, weil die den Zylindern zugeführte Kraftstoffmenge in vorbestimmter Weise
geändert
wurde. Zylinder 1, 3 und 5 wiesen jeweils eine gleich große Erhöhung der
Kraftstoffmenge auf, wobei Zylinder 2, 4 und 6 jeweils eine entsprechend
große
Verringerung der Kraftstoffmenge aufwiesen. Diese Kraftstoffmengenvariation
ist durch die gepunktete/gestrichelte Linie C gezeigt. Die Oszillation
der Kraftstoffmenge weist daher eine Frequenz auf, die der Hälfte der
Zündfrequenz
entspricht und stellt eine Interferenzoszillation an dem Schwungrad dar.
Von der Steuereinheit des Motors wird hier angenommen, dass sie
in der korrekten Zyklusposition arbeitet.
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Wie
gemäß Kurve
A zu sehen, wird als Folge der erhöhten Kraftstoffmenge bei den
Zylindern 1, 3 und 5 logischerweise eine große Drehzahlerhöhung erhalten,
wohingegen als Folge der verringerten Kraftstoffmenge bei den Zylindern
2, 4 und 6 ein geringer Drehzahlanstieg erhalten wird. Durch Analyse der
resultierenden in dem Schwungrad gemäß Kurve A erhaltenen Oszillation
in der Steuereinheit 6 kann der Verlauf der von der Kraftstoffvariation
verursachten überlagerten
Interferenzoszillation beispielsweise mittels geeigneter Bandpassfilter
erhalten werden. Ein solches Oszillationsmuster der überlagerten
Interferenzoszillation ist schematisch und prinzipiell durch eine
gestrichelte Line D gezeigt. Die Frequenz dieser überlagerten
Interferenzoszillation beträgt
die Hälfte
der Frequenz der resultierenden Oszillation gemäß Kurve A'. Wie zu sehen, befinden sich die zwei
Oszillationskurven C und D in Phase zueinander, was bedeutet, dass
die Steuereinheit in diesem Fall die Zyklusposition in dem Motor
korrekt interpretiert.
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5 zeigt
Kurven A', C und
D, die denen in 4 entsprechen, aber mit dem
Unterschied, dass es nun die Zylinder 2, 4 und 6 sind, die eine
größere Kraftstoffmenge
als die Zylinder 1, 3 und 5 erhalten haben. Auch in diesem Fall
befinden sich die zwei Oszillationskurven C und D in Phase zueinander,
was bedeutet, dass die Steuereinheit die Zyklusposition in dem Motor
korrekt interpretiert.
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6 zeigt
eine Situation, in der die Steuereinheit die Zyklusposition fehlinterpretiert,
das heißt sie
ist um eine Kurbelwellenumdrehung außer Takt. Bei der in 4 gemäß Kurve
C verwendeten Kraftstoffverteilung zu den Zylindern wird ein Kurvenmuster
A' gemäß 5 erreicht,
bei dem die große,
in 4 bei Zylinder 1 gezeigte Drehzahlspitze nun, der
Linie B folgend, stattdessen am Zylinder 4 auftritt, das heißt in der
falschen Kurbelwellenumdrehung. Hier befinden sich die Kurven C
und D nicht in Phase zueinander.
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In
Analogie mit dem in 6 Gezeigten, wird mit der in 5 gemäß Kurve
C verwendeten Kraftstoffzuteilung zu den Zylindern ein Kurvenmuster
A' gemäß 4 erreicht
(nicht gezeigt), bei dem die kleine, in 5 bei Zylinder
1 gezeigte Drehzahlspitze nun, der Linie B benachbart, anstelle
bei Zylinder 4 auftritt, das heißt, in der falschen Kurbelwellenumdrehung.
Auch hier befinden sich die Kurven C und D nicht in Phase zueinander.
Im Fall einer solchen Detektion einer nicht korrekten Phasenposition
zwischen den Kurven C und D wird die Steuereinheit 6 erfindungsgemäß veranlasst,
ihre Zyklusposition durch eine einer Kurbelwellenumdrehung entsprechende Änderung
zu korrigieren.
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Bei
einer Leerlaufdrehzahl n von 600 rpm gibt es zehn Kurbelwellenumdrehungen
pro Sekunde. Indem beim Starten ungefähr 20 Kurbelwellenumdrehungen
für die
oben angegebene Analyse verwendet werden, ist es normalerweise möglich, eine zuverlässige Analyse
auszuführen,
die in diesem Fall daher ungefähr
2 Sekunden am Anfang jedes Startbetriebs dauert. Die überlagerte
Interferenzoszillation, deren Frequenz der Hälfte der Zündfrequenz entspricht, harmoniert
mit der durch die Zündungen
verursachten Hauptoszillation und wird von dem Fahrer, soweit sie überhaupt
wahrgenommen werden kann, nicht als störend wahrgenommen.
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Die
Interferenzoszillation wird bei normalen Zuständen kurz angewendet, geeigneter
Weise für höchstens
ungefähr
3 Sekunden, aber vorzugsweise für
nicht länger
als etwa 2 Sekunden. Alternativ kann sie während höchstens etwa 30 Kurbelwellenumdrehungen,
aber vorzugsweise nicht während
mehr als etwa 20 Kurbelwellenumdrehungen, angewendet werden. In
speziellen Situationen, beispielsweise im Fall eines beträchtlichen
Fehlers in dem Motor, kann es schwierig sein, gemäß dem obigen
die Zyklusposition des Motors schnell festzustellen. In derartigen Notfällen kann
die Testperiode auf etwa 10–12
Sekunden verlängert
werden.
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7 zeigt
das Messergebnis, das für
eine Drehzahlvariation mit einem Kraftstoffmengenvariationsmuster
gemäß 4 erhalten
wird. Die durchgehende Kurve E betrifft die korrekte Zyklusposition, und
die gepunktete/gestrichelte Kurve F betrifft eine nicht korrekte
Zyklusposition. Wie zu sehen, tritt der an Zylinder 1 auftretende
Spitzenwert auf der durchgehenden Kurve E nicht vor Zylinder 4,
der Line B folgend, auf der gepunkteten/gestrichelten Kurve F auf. Die
Kurven E und F sind daher um eine Umdrehung in Drehrichtung der
Kurbelwelle oder in diesem Fall, bei einem Sechszylindermotor, eine
ungerade Anzahl von Zündschritten,
nämlich
drei Zündschritte, versetzt.
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Wie
gefordert und erwünscht,
kann die oben beschriebene Lösung
in mehreren unterschiedliche Weisen im Umfang der Erfindung variiert
werden. Daher kann beispielsweise die überlagerte Interferenzoszillation
aufgebaut werden, indem die Kraftstoffverteilungsmuster gemäß 4 und 5 kombiniert
werden, das heißt
ein Muster wird für
eine bestimmte Zeit verwendet und dann das andere. Dies ermöglicht es,
dass erhaltene Ergebnis einfach zu überprüfen. Die Größe der Variation der Kraftstoffzufuhr
zu unterschiedlichen Zylindern kann, wenn erforderlich, so angepasst
werden, dass die überlagerte Interferenzoszillation
ausreichend klar ist, um eine Analyse zu ermöglichen. Ferner kann der Motor
natürlich
eine andere als die oben beschriebene Zylinderanzahl aufweisen.
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Abhängig von
dem Typ eines verwendeten Kraftstoffeinspritzsystems kann es erforderlich
sein, eine spezielle Starteinstellung der Steuervorrichtung des
Systems zu ermöglichen,
um zu gewährleisten, dass
der Motor auch mit einer nicht korrekten Zyklusposition während der
Zeit kurz laufen kann, während der
die Interferenzoszillation angewendet wird und bevor ein Wechsel
zu der korrekten Zyklusposition bewirkt wurde.