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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen wenigstens einen Zylinder aufweisenden Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des der Ansprüche 1 und 3.
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Aus der
DE 198 60 398 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine bekannt. Bei einer ersten Winkelstellung einer Kurbel- und/oder Nockenwelle werden erste Größen und bei einer zweiten Winkelstellung werden zweite Größen bestimmt. Dies ersten Größen werden zur Steuerung der nächsten Einspritzung verwendet. Wenigstens eine der zweiten Größen wird zur Steuerung der übernächsten Einspritzung verwendet.
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Bei modernen Common-Rail-Einspritzanlagen erfolgt die Einspritzung von Kraftstoff mittels Piezo- oder Magnetventilaktoren, wobei jedem Zylinder wenigstens ein solcher Aktor zur Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder durch Laden oder Entladen des Aktors zugeordnet ist. Eine solche Einspritzanlage geht aus der
US 2002/0 046 731 A1 hervor.
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In der dortigen 1 sind mechanische Baukomponenten einer piezoelektrisch angesteuerten Kraftstoffeinspritzanlage dargestellt. Die Kraftstoffeinspritzanlage umfasst eine Einspritznadel, die eine Einspritzung von Kraftstoff aus einer Kraftstoffdruckleitung in einen Zylinder ermöglicht. Ein piezoelektrisches Element (Aktor) ist mit einem Kolben gekoppelt, wobei das piezoelektrische Element im ausgedehnten Zustand bewirkt, daß der Kolben in einen eine Hydraulikflüssigkeit enthaltenden Hydraulikadapter hineinragt. Dadurch wird ein mit einer Hohlbohrung zusammenarbeitendes Steuerventil hydraulisch von dem Hydraulikadapter weggedrückt und aus einer ersten geschlossenen Stellung wegbewegt. Das Steuerventil befindet sich in einer zweiten, geschlossenen Stellung, wenn das piezoelektrische Element vollständig ausgedehnt ist. Dabei wird die Einspritznadel durch den hydraulischen Druck in der Kraftstoffleitung in einer geschlossenen Stellung gehalten. Somit tritt das Kraftstoffgemisch nicht in den Zylinder ein. Umgekehrt kommt es in der Kraftstoffdruckleitung zu einem Druckabfall, wenn das piezoelektrische Element so erregt wird, daß sich das Steuerventil bzgl. der Hohlbohrung in der sogenannten Mittelstellung befindet. Dieser Druckabfall bewirkt in der Kraftstoffdruckleitung ein Druckgefälle zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende der Einspritznadel, so daß die Einspritznadel sich hebt und ein Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder ermöglicht.
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Die dortige 2 zeigt die genannten piezoelektrischen Elemente schematisch, und zwar zusammen mit einer elektrischen Schaltungsanordnung zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzanlage. Ein erster Schaltungsbereich ,A' dient zum Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente. Ein zweiter Schaltungsbereich ,B' umfaßt eine Einspritzregelung ,F' mit einem Steuergerät ,D' und einem Ansteuerungs-IC ,E'. Dem Ansteuerungs-IC ,E' werden verschiedene Meßwerte von elektrischen Spannungen und Strömen aus der gesamten restlichen Schaltungsanordnung zugeführt. Die piezoelektrischen Elemente sind dabei in zwei Gruppen aufgeteilt, wobei zwischen den Gruppen mittels eines Gruppenwahlschalters umgeschaltet wird. Es sind Treiber implementiert, die von dem Ansteuerungs-IC ,E' empfangene Steuersignale in Spannungen umformen, die nach Bedarf zum Schließen und Öffnen der Schalter wählbar sind. Während Ladevorgängen werden die Gruppenwahlschalter von Dioden überbrückt. Die Funktionalität der Gruppenwahlschalter reduziert sich daher auf die Auswahl einer Gruppe der piezoelektrischen Elemente lediglich für einen Entladevorgang. Durch Schließen und Öffnen eines Ladeschalters bzw. Entladeschalters in Abhängigkeit von dem Strom ist es möglich, den Ladestrom und den Entladestrom auf vorgegebene Mittelwerte einzustellen und/oder zu verhindern, daß sie vorgegebene Maximalwerte und/oder Minimalwerte überschreiten bzw. unterschreiten. Für diese Messung wird zusätzlich eine Spannungsquelle benötigt, die eine Gleichspannung von +5 V liefert sowie ein Spannungsteiler in Form zweier Widerstände. Damit wird der Ansteuerungs-IC, der die Messungen durchführt, vor negativen Spannungen geschützt. Auf die weiteren Details dieser Schaltungsanordnung kommt es jedoch vorliegend nicht an, so daß hierzu lediglich auf die genannte Druckschrift verwiesen wird.
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Bei den vorbeschriebenen Einspritzanlagen besteht nun insbesondere die Möglichkeit, Voreinspritzungen mit einer Zeitkomponente zu applizieren. Dabei wird ein Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors, bezogen auf einen oberen Totpunkt (OT) der Kurbelwelle, vorgegeben sowie eine Zeitkomponente bezogen auf einen absoluten Kurbelwellenwinkel, der sich aus dem applizierten Relativ- und dem OT-Winkel ergibt. Die Applikation mit Zeitkomponenten soll sicherstellen, daß der zeitliche Abstand zwischen zwei Einspritzmengen unabhängig von der aktuellen Motordrehzahl, eingehalten wird.
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Um den genannten Anforderungen zu genügen, weisen diese Kraftstoffeinspritzanlagen meist eine erste Rechnereinheit zur Abarbeitung der Applikationsvorgaben und zur Ausführung von Regelungsvorgängen sowie eine zweite Rechnereinheit zur zeitgesteuerten Ansteuerung von elektrischen Endstufen, welche letztlich die genannten Aktoren antreiben, auf.
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Die genannte zeitliche Ansteuerung der Einspritzungen erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von einem von einem Kurbelwellendrehzahlgeber bereitgestellten, meist rechteckförmigen Drehzahlgebersignal.
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Die Voreinspritzungen, Haupteinspritzungen und auch Nacheinspritzungen werden dabei vor dem zugehörigen oberen Totpunkt (OT) gerechnet.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Berechnung der Haupt- und Nacheinspritzungen bei einem Kurbelwellenwinkel (KW) von 78° vor dem zugehörigen oberen Totpunkt (OT) zu berechnen oder programmieren. Die Programmierung der Voreinspritzung(en) erfolgt jeweils um einen halben Zündabstand früher. Hierdurch werden symmetrische Abstände zwischen den Berechnungen der einzelnen Einspritzungen sichergestellt. Im Falle eines 6-Zylinder-Verbrennungsmotors ergibt sich damit die Berechnung der Haupt- und Nacheinspritzungen bei einem Main-Interrupt bei 78° KW vor OT. Die Voreinspritzungen werden bei einem sogenannten Pilot-Interrupt 138° vor OT berechnet.
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Bei einem 8-Zylinder-Verbrennungsmotor, der nur von einem einzigen Steuergerät angesteuert wird, erfolgt die Berechnung des Main-Interrupts 78° KW vor OT. Die Kurbelwellendifferenz zwischen dem Kurbelwellenwinkel des Main-Interrupts und dem Kurbelwellenwinkel des Pilot-Interrupts ergibt sich aus dem Quotienten 720/(2·Zges), wobei Zges die Gesamtzahl der Zylinder bedeutet: Bei einem 8-Zylinder-Verbrennungsmotor ergibt dies eine Kurbelwellenwinkelverschiebung von 45°, so daß das Pilot-Interrupt – wie erwähnt – bei 123° KW vor OT zu liegen kommt.
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Insbesondere bei hohen Zylinderzahlen nimmt die Phasenwinkelverschiebung ab und kollidiert mit den von den Fahrzeugherstellern gewünschten und vorgegebenen Werten. Um diese Kollisionen zu verhindern, kann nicht einfach das gesamte System nach ”früh” verschoben werden, da hierdurch die Phasenreserve kleiner wird und damit die Regler tendentiell früher instabil werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der Berechnung der Haupteinspritzungen und der Nacheinspritzungen ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen wenigstens einen Zylinder aufweisenden Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß es möglich ist, unter Beibehaltung der Phasenreserve der Regler den frühestmöglichen Ansteuerbeginn der Voreinspritzungen zu erreichen.
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Grundidee der Erfindung ist das Zusammenlegen von Berechnungen oder Programmierungen der nachfolgenden Haupteinspritzungen, Nacheinspritzungen des aktuellen Zylinders und der Voreinspritzung(en) bei einem darauffolgenden Zylinder im Main-Interrupt. Die erfindungsgemäße Programmierung des Zeitpunkts der wenigstens einen von dem wenigstens einen Aktor bewirkten nachfolgenden Voreinspritzung(en) bei einem darauffolgenden Zylinder unmittelbaren im Anschluß an die Programmierung der von dem wenigstens einen Aktor bewirkten nachfolgenden Haupteinspritzungen sowie Nacheinspritzungen an dem aktuellen Zylinder weist den Vorteil auf, daß Berechnungen/Programmierungen, die gemäß dem Stand der Technik doppelt auszuführen sind, auf diese Weise nur einfach durchzuführen sind, wodurch sich die Rechenlaufzeit deutlich reduziert. Darüber hinaus können hierdurch im Grunde Programmierungen, die bei 4-Zylinder-Verbrennungsmotoren an sich bekannt sind, gewissermaßen auf 8-Zylinder-Verbrennungsmotoren ”extrapoliert” werden, da sich hierbei im Prinzip dieselben Phasenbezüge ergeben. Entsprechendes trifft auf 5-Zylinder-/10-Zylinder-Verbrennungsmotoren sowie 6-Zylinder-/12-Zylinder-Verbrennungsmotoren zu.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Berechnung/Programmierung des Zeitpunkts des wenigstens einen von dem wenigstens einen Aktor bewirkten nachfolgenden Voreinspritzung an einem darauffolgenden Zylinder durch die Berechnung/Programmierung der von dem wenigstens einen Aktor bewirkten nachfolgenden Haupteinspritzung/Nacheinspritzungen ausgelöst wird.
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Bevorzugt erfolgt die Berechnung der von dem wenigstens einen Aktor bewirkten nachfolgenden Voreinspritzung an einem darauffolgenden Zylinder unmittelbar im Anschluß an die Berechnung/Programmierung der Haupteinspritzungen und gegebenenfalls der Nacheinspritzungen, die von dem wenigstens einen Aktor an dem aktuellen Zylinder vorgenommen werden.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 in Blockdarstellung elektrische Komponenten zur Ansteuerung einer hier betroffenen Kraftstoffeinspritzanlage;
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2a, 2b eine typische Architektur eines Steuerprogramms zur Ansteuerung einer Kraftstoffeinspritzanlage gemäß dem Stand der Technik (a) sowie die zugrundeliegenden zeitlichen Zusammenhänge bei der Ansteuerung in einem Zeitdiagramm (b).
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3a, 3b ein Zeitdiagramm einer Ansteuerung einer Kraftstoffeinspritzanlage mit Voreinspritzungen und Haupteinspritzungen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In der 1 sind aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Baukomponenten zur Ansteuerung einer eingangs beschriebenen Kraftstoffeinspritzanlage vereinfacht dargestellt. Eine erste Rechnereinheit 300 weist in an sich bekannter Weise einen Steueralgorithmus (Applikationsoftware) 302 auf. Zusätzlich sind im voraus beispielsweise empirisch berechnete Einspritzfunktionen (Injectionfunctions) 304 vorgesehen. Die erste Rechnereinheit 100 ist über einen Bus 306 mit einem Ansteuerbaustein 308 einer Endstufe (Powerstages) 310 verbunden. Über den Bus 306 werden weitere Steuersignale an den Ansteuerbaustein 308 übertragen, welche allerdings in dem vorliegenden Zusammenhang ohne Bedeutung sind.
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Eine mit der ersten Rechnereinheit 300 zusammenarbeitende zweite Rechnereinheit 312 dient, ebenfalls an sich bekannt, zur hochpräzisen zeitlichen Ansteuerung der eingangs beschriebenen Piezo-Aktoren in Echtzeit, und zwar in Abhängigkeit von dem nachfolgend noch im Detail beschriebenen Ansteueralgorithmus. Die zweite Rechnereinheit 312 enthält zu diesem Zweck ein (nicht gezeigtes) Drehzahlerfassungsteil und ein (ebenfalls nicht gezeigtes) Ansteuerungsteil zur genannten zeitlichen Steuerung der Einspritzungen bzw. Einspritzphasen. Die zweite Rechnereinheit 312 weist ferner Programmmittel 314 zur Ausführung einer nachfolgend noch genauer beschriebenen Extrapolation der Motordrehzahl n auf.
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Die zweite Rechnereinheit 312 ist mit dem Ansteuerbaustein 308 ferner über eine oder mehrere Datenleitungen 316–322 verbunden, über die Steuersignale wie bspw. die gezeigten Handshake-Signale 316, 322 übertragen werden. Weitere Ausführungen zu diesen Datenleitungen 316–322 erübrigen sich im vorliegenden Zusammenhang.
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Die 2a zeigt ein Blockdiagramm eines Steuerprogrammes zur Ansteuerung einer vorbeschriebenen Kraftstoffeinspritzanlage gemäß dem Stand der Technik. Das Steuerprogramm wird in dem vorliegenden Beispiel in Form eines Anwendungsprogrammes 400 mittels eines an sich bekannten Applikationswerkzeuges 402 erstellt. Dem Anwendungsprogramm liegen als physikalische Parameter der bezüglich eines oberen Totpunktes (OT) relative Kurbelwellenwinkel (KW-Winkel) Phi eines (nicht gezeigten) Verbrennungsmotors, ein Zeitoffset t_off für die Einspritzung, sowie eine Ansteuerdauer t_dur zugrunde. Die Parameter Phi und t_off sind in einem sogenannten statischen Interrupt und der Parameter t_dur in einem sogenannten dynamischen Interrupt programmiert. Diese physikalischen Parameter werden mittels einer hardwarenahen Software 404 in ein für die zweite Rechnereinheit taugliches Format Phi*, t_off* und t_dur* übergeführt und danach an die zweite Rechnereinheit 406 übermittelt. Die genannten Parameter sind entweder im voraus in Tabellen abgelegt oder nachträglich per Fernübertragung (remote) in das System einspeisbar.
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In der 2b sind die im Stand der Technik bei der Ansteuerung einer vorbeschriebenen Kraftstoffeinspritzanlage zugrundeliegenden zeitlichen Zusammenhänge schematisch illustriert. Als Bezugsgröße bei der Berechnung der Parameter dient in an sich bekannter Weise der genannte obere Totpunkt (OT) der Kurbelwelle. Zunächst wird der relative Beginnwinkel Phi vom OT zurückgerechnet (Phi_abs). Von Phi_abs ausgehend wird dann erst der Offsetwert t_off zurückgerechnet, wobei sich der jeweilige Ansteuerbeginn einer Einspritzung bzw. Einspritzphase ergibt. Vom Ansteuerbeginn ausgehend wird dann mittels des Parameters t_dur das jeweilige Ansteuerende berechnet.
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Es ist hervorzuheben, daß beim erfindungsgemäßen Steuerprogramm die Zeitkomponenten t_off und t_dur anhand der aktuellen Motordrehzahl n in einen korrespondierenden KW-Winkel Phi' umgerechnet und der ersten Rechnereinheit zur Ansteuerung übergeben werden. Dies hat den Vorteil, daß die genannten Schwankungen der Drehzahl n, die letztlich das mögliche Ineinanderlaufen der Einspritzungen verursachen, bei der nachfolgend beschriebenen Programmierung der Beginnflanken der Ansteuersignale für die Aktoren automatisch Berücksichtigung finden.
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Der zeitliche Verlauf der Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzanlage erfolgt mittels der bereits vorerwähnten statischen und dynamischen Interrupts. Dies ist in 3 anhand eines in einem Phasenwinkeldiagramm dargestellten, eine Haupteinspritzung und gegebenenfalls Nacheinspritzungen und eine oder mehrere Voreinspritzungen umfassenden Kraftstoffzyklus illustriert. Es ist anzumerken, daß entsprechend der vorliegend gewählten Notation die Voreinspritzung(en) A zeitlich vor einer jeweiligen Haupteinspritzung und gegebenenfalls Nacheinspritzungen B zu liegen kommt/kommen.
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Im oberen Teil der 3 ist das rechteckförmige Kurbelwellendrehzahlsignal n dargestellt. Beträgt die Kurbelwellendrehzahl beispielsweise n = 1667 U/min, so entspricht die Breite eines Rechtecks des Kurbelwellendrehzahlsignals 6° KW, d. h. einem Kurbelwellenwinkel von 6°.
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Das Main-Interrupt MI zur Programmierung der Haupteinspritzung und gegebenenfalls einer oder mehreren Nacheinspritzung(en) wird bei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel (KW) vor dem oberen Totpunkt (OT) von 78° programmiert, wie dies schematisch in 3a anhand des Berechnungsbereichs B(Z) dargestellt ist. ”Z” bezeichnet den aktuellen Zylinder, ”Z + 1” bezeichnet einen darauffolgenden Zylinder usw.. ”A(Z)” bezeichnet eine von dem wenigstens einen Aktor bewirkte nachfolgende Voreinspritzung an dem aktuellen Zylinder, wohingegen ”A(Z + 1)” eine oder mehrere Voreinspritzung(en) an dem darauffolgenden Zylinder bezeichnet.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte Programmierung der Voreinspritzung(en) ist in 3a illustriert. Die Programmierung der Voreinspritzung wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens jeweils um den halben Zündabstand früher vorgenommen. Bei einem 6-Zylinder-Verbrennungsmotor ergibt sich hierbei für das Pilot-Interrupt PI- eine Kurbelwellenwinkelverschiebung Δφ von 60°. Δφ berechnet sich dabei gemäß der Formel Δφ = 720°/(2·Zges), wobei Zges hier die Gesamtzahl der Zylinder bedeutet. Bei einem 6-Zylinder-Verbrennungsmotor wird das Pilot-Interrupt PI damit 138° KW vor OT gesetzt. Bei einem 8-Zylinder-Verbrennungsmotor findet das Pilot-Interrupt PI bei 123° KW vor OT statt. Bei einem 10-Zylinder-Verbrennungsmotor wird das Pilot-Interrupt PI bei einem Kurbelwellenwinkel von 114° vor OT gesetzt. Insbesondere bei hohen Zylinderzahlen kann nun die bei dem Pilot-Interrupt PI beginnende Programmierung der Voreinspritzung(en) mit den von Fahrzeugherstellern gewünschten Kurbelwellenwinkeln kollidieren. Eine Verschiebung der Berechnung/Programmierung der Voreinspritzung(en) nach früheren Zeitpunkten und damit eine Verschiebung um größere Kurbelwellendifferenzen Δφ ist nicht möglich, da hierdurch die Phasenreserve verkleinert und damit die Reglerstabilität reduziert würde.
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Die Erfindung sieht deshalb vor, die Programmierung der von einem Aktor bewirkten nachfolgenden Voreinspritzung(en) an einem darauffolgenden Zylinder Z + 1 unmittelbar im Anschluß an die und ausgelöst durch die Berechnung der nachfolgenden Haupteinspritzung und gegebenenfalls der Nacheinspritzungen an demselben aktuellen Zylinder B (Z) durchzuführen, wie dies schematisch in 3b dargestellt ist.
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Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, die Berechnungen, wie im Stand der Technik, doppelt sowohl an dem Pilot-Interrupt PI als auch an dem Main-Interrupt MI durchzuführen, sondern es fällt eine Berechnung, nämlich die Berechnung der Voreinspritzung des aktuellen Zylinders A (Z) weg. Diese wird vielmehr für den darauffolgenden Zylinder im Anschluß an die Berechnung der Haupteinspritzung und etwaiger Nacheinspritzungen B (Z) im Main-Interrupt MI durchgeführt. Auf diese Weise lassen sich auch Erfahrungen, die bei 4-Zylinder-Brennkraftmaschinen gesammelt wurden, auf 8-Zylinder-Brennkraftmaschinen übertragen, da sich im Grunde die gleichen Phasenbezüge ergeben. Entsprechend kann von 5-Zylinder-Verbrennungsmotoren auf 10-Zylinder-Verbrennungsmotoren und von 6-Zylinder-Verbrennungsmotoren auf 12-Zylinder-Verbrennungsmotoren quasi ”extrapoliert” werden.
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Von besonderem Vorteil ist, daß die Anzahl der Interrupts im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren halbiert wird, was sich besonders vorteilhaft auf die Gesamtinterruptlaufzeit auswirkt.
