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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind
ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium sowie
eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff der
nebengeordneten Patentansprüche.
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Vom
Markt her sind Kraftfahrzeuge mit als Ottomotoren ausgebildeten
Brennkraftmaschinen bekannt. Um bei solchen Brennkraftmaschinen
ein gewünschtes
Drehmoment zu erhalten, betätigt
ein Fahrer des Kraftfahrzeugs ein Gaspedal, durch welches die Luftzufuhr
in die Brennräume
der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Die in die Brennräume gelangende
Luftmenge wird gemessen und hieraus eine einzuspritzende Kraftstoffmasse
berechnet. Um die Emissionen niedrig zu halten, muss das stöchiometrische
Verhältnis
aus Luft und Kraftstoff in den Brennräumen möglichst genau eingehalten werden.
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Bei
der bekannten Brennkraftmaschine ist jedem Zylinder ein Kraftstoffinjektor
zugeordnet, welcher den Kraftstoff in ein Saugrohr stromaufwärts von einem
Einlassventil einspritzt. Die Kraftstoffmasse wird über die Öffnungsdauer
der Kraftstoffinjektoren gesteuert.
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Wie
viel Luft in einen Brennraum eines Zylinders gelangt ist, ist erst
dann endgültig
bekannt, wenn das zu dem Brennraum führende Einlassventil schließt. An sich
wäre also
eine möglichst späte Einspritzung
wünschenswert.
Eine solche späte
Einspritzung bei geöffnetem
Einlassventil führt
jedoch bekanntermaßen
zu vergleichsweise hohen HC-Emissionen. Für einen bestimmten Brennkraftmaschinentyp
werden daher Prüfstandsmessungen durchgeführt: Bei
diesen verschiebt man den Einspritzzeitpunkt für unterschiedliche Last-/Drehzahlpunkte
in Schritten von spät
nach früh
und erfasst dabei die HC-Emissionen. Jener Kurbelwinkel für das Ende
einer Einspritzung, bei dem die Emissionen erstmals auf ein niedrigeres
Niveau absinken, wird zusammen mit der entsprechenden Last und der
entsprechenden Drehzahl in ein Kennfeld eingetragen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen,
welches eine Terminierung der Kraftstoffeinspritzung gestattet,
die wenig Applikations- und wenig Rechenaufwand erfordert und gleichzeitig
im Betrieb der Brennkraftmaschine ein günstiges Emissionsverhalten
gestattet.
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Offenbarung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Weitere Lösungsmöglichkeiten
sind in den nebengeordneten Patentansprüchen, vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung in Unteransprüchen
angegeben. Ferner finden sich wichtige Merkmale der Erfindung in
der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren, wobei die Merkmale
in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein
können,
ohne dass hierauf im Einzelnen explizit hingewiesen wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß wird bei
der Definition beziehungsweise der Quantifizierung der Parameter, die
eine Einspritzung charakterisieren, eine Flugzeit des eingespritzten
Kraftstoffes von einem Einspritz-Ort, beispielsweise einem Kraftstoffinjektor, berücksichtigt.
Dies gestattet es, die Einspritzung auf den Öffnungs- oder Schließzustand
des Einlassventils besonders präzise
abzustimmen. Damit kann ein geringer Kraftstoffverbrauch bei einem
günstigen Emissionsverhalten
realisiert werden, ohne dass komplexe Vorversuche erforderlich sind.
Unter dem Begriff der Flugzeit wird dabei jene Zeit verstanden, die
der Kraftstoff benötigt,
um von seinem Einspritz-Ort zum Einlassventil zu gelangen. Diese
Flugzeit ist in vielen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
weitgehend konstant, was ebenfalls zur Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens
beiträgt.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die erste Größe ein Einspritz-Ende ist und
erhalten wird, indem die zweite Größe von einer dritten Größe, die
einen Zeitpunkt charakterisiert, ab dem kein Kraftstoff mehr am
Einlassventil eintreffen soll, subtrahiert wird. Dies ist einfach
programmierbar und benötigt
wenig Rechenkapazität.
Darüber
hinaus kann hierdurch das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine
besonders präzise
beeinflusst werden, da die am Einlassventil zu einem bestimmten
Zeitpunkt ankommende Kraftstoffmenge hierfür besonders wichtig ist.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass mindestens dann, wenn
keine Kaltstartphase oder Volllastphase der Brennkraftmaschine vorliegt, die
dritte Größe einen
Kurbelwinkel charakterisiert, bei dem das Einlassventil öffnet. Oder,
mit anderen Worten: Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die
Berücksichtigung
der Flugzeit des eingespritzten Kraftstoffes dafür verwendet wird, dafür zu sorgen, dass
im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kein Kraftstoff in das offene
Einspritzventil und somit mehr oder weniger direkt in den Brennraum
eingespritzt wird. Dies wäre
für das
Emissionsverhalten besonders ungünstig.
Das hier vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren stellt die optimale
Kombination aus den Anforderungen "geringe Emissionen" und "hohe Aktualität" dar, da das letzte Eintreffen von Kraftstoff
am Einlassventil mit dem Öffnen
des Einlassventils zusammenfällt.
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Die
Tatsache, dass die HC-Emissionen absinken, wenn kein Kraftstoff
mehr in das offene Einlassventil gelangt, kann für die Ermittlung der Flugzeit beispielsweise
bei einem Prüfstandsversuch
für einen
spezifischen Brennkraftmaschinentyp verwendet werden. Hierzu wird
bei einem beliebigen Last-/Drehzahlpunkt der Zeitpunkt des Einspritz-Endes
allmählich
von spät
nach früh
verschoben. Wird ein Absinken der HC-Emissionen festgestellt, bedeutet
dies, dass nun kein Kraftstoff mehr in das offene Einlassventil
gelangt. Die Kurbelwinkeldifferenz zwischen dem Einspritz-Ende und
dem Öffnen
des Einlassventils gestattet in Kenntnis der aktuellen Drehzahl
der Brennkraftmaschine die Ermittlung der Flugzeit. Die Applikation
eines Kennfeldes, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
ist nicht mehr erforderlich.
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Wenn
eine Kaltstartphase oder eine Volllastphase vorliegt, kann die dritte
Größe einen
Kurbelwinkel charakterisieren, der um eine bestimmte Kurbelwinkeldifferenz
nach einem Kurbelwinkel liegt, bei dem das Einlassventil öffnet. Damit
wird berücksichtigt,
dass in diesen beiden Betriebsphasen andere Aspekte eine Einspritzung
in das offene Einlassventil rechtfertigen können. In einer Kaltstartphase
beispielsweise lagert sich ein gewisser Teil des Kraftstoffs in
flüssiger
Form als Wandfilm am Saugrohr ab und strömt anschließend in den Brennraum. In diesem
Fall kann es aus Emissionsgründen
günstiger sein,
direkt in das offene Einlassventil zu spritzen, da sich der Brennraum
schneller erwärmt
als das Saugrohr und somit der Kraftstoff dort leichter verdampft.
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Um
jedoch der Tatsache Rechnung zu tragen, dass sich das Saugrohr nach
dem Starten der Brennkraftmaschine recht schnell erwärmt und
es dann im Hinblick auf die Emissionen wieder günstiger wird, nicht in das
geöffnete
Einlassventil einzuspritzen, wird vorgeschlagen, dass dann, wenn
eine Kaltstartphase vorliegt, die Kurbelwinkeldifferenz von einer
vierten Größe abhängt, die
eine Anzahl von Einspritzungen seit einem Starten der Brennkraftmaschine
charakterisiert. Möglich
ist beispielsweise, die Anzahl der Einspritzungen seit einem Starten
der Brennkraftmaschine einer Kennlinie zuzuführen, die die Kurbelwinkeldifferenz
bereitstellt und so gestaltet ist, dass diese umso kleiner ist,
je größer die
Anzahl der Einspritzungen seit dem Staren ist. Ab einer bestimmten
Anzahl von Einspritzungen seit dem Starten der Brennkraftmaschine
wird die Kurbelwinkeldifferenz zu null.
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In
einer Volllastphase ist die Temperatur der Brennkraftmaschine vergleichsweise
hoch. Dies bedeutet, dass eine relativ große eingespritzte Kraftstoffmenge,
gegebenenfalls sogar aller Kraftstoff, verdampft. Damit erhöht ein Einspritzen
von Kraftstoff in das offene Einlassventil die Emissionen, wenn überhaupt,
nur unwesentlich. Da jedoch bei einem Einspritzen von Kraftstoff
in das offene Einlassventil der Kraftstoff zum Teil in Form von
Tröpfchen
in den Brennraum gelangt und das Einlassventil geschlossen wird,
bevor der Kraftstoff verdampft, wird im Brennraum eine höhere Dichte
erzielt und somit eine Leistungssteigerung.
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Um
ein abruptes Ansteigen und Abfallen der Leistung der Brennkraftmaschine
und damit eine Komforteinbusse im Betrieb der Brennkraftmaschine zu
verhindern, wird vorgeschlagen, dass die Kurbelwinkeldifferenz zu
Beginn einer Volllastphase nur allmählich zunimmt und/oder nach
dem Ende einer Volllastphase nur allmählich abnimmt.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn anhand des Einspritz-Endes und einer
Größe, die
eine Einspritzdauer charakterisiert, ein Einspritz-Anfang ermittelt
wird. Damit liegen alle Parameter einer Einspritzung fest und diese
Parameter sind auf einfache Art und Weise ermittelt worden.
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Üblicherweise
werden die für
die Steuerung einer Brennkraftmaschine erforderlichen Parameter abhängig von
einem Kurbelwinkel oder als ein solcher ausgedrückt. Es ist daher vorteilhaft,
wenn die zweite Größe, die
eine Flugzeit des eingespritzten Kraftstoffes von einem Einspritz-Ort
zu einem Einlassventil charakterisiert, ein Kurbelwinkelbereich
ist, der aus der Flugzeit und einer aktuellen Drehzahl einer Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
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1 einen
teilweisen und schematischen Schnitt durch einen Zylinder und Bereiche
eines zugehörigen
Einlass- und Auslassrohrs einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1;
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3 ein
Balkendiagramm, aus dem verschiedene für eine Einspritzung wichtige
Parameter während
eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine von 1 für einen
ersten Betriebszustand hervorgehen;
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4 eine
Darstellung ähnlich 2 für einen
zweiten Betriebszustand; und
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5 eine
Darstellung ähnlich 2 für einen
dritten Betriebszustand.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 jedoch
nur einer mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt ist. Der
Zylinder 12 umfasst einen Brennraum 14, der von
einer Zylinderwand 16 und einem Kolben 18 begrenzt
wird. Der Kolben ist mit einer Kurbelwelle 20 verbunden,
deren Drehzahl nmot und deren Winkelstellung KW von einem Sensor 22 erfasst
wird.
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Der
Brennraum 14 ist über
ein Einlassventil 24 mit einem Saugrohr 26 verbindbar.
Stromaufwärts von
dem Einlassventil 24 ist in dem Saugrohr 26 ein Kraftstoffinjektor 28 angeordnet,
durch den Kraftstoff in das Saugrohr 26 zum Einlassventil 24 hin
eingespritzt werden kann. Eine entsprechende Kraftstoffwolke trägt in 1 das
Bezugszeichen 30. Über
ein Auslassventil 32 ist der Brennraum 14 auch
mit einem Abgasrohr 34 verbindbar. Ein im Brennraum 14 befindliches
Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze 36 entzündet.
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Der
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 38 gesteuert und geregelt. Diese erhält beispielsweise
Signale vom Sensor 22, und sie steuert die Zündkerze 36 und den
Kraftstoffinjektor 28 an. Angesteuert von der Steuer- und/oder
Regeleinrichtung 38 wird auch eine Drosselklappe 40,
die stromaufwärts
vom Kraftstoffinjektor 28 im Saugrohr 26 angeordnet
ist. Die in den Brennraum 14 gelangende Kraftstoffmenge
wird über
einen HFM-Sensor 42 erfasst, der entsprechende Signale
wiederum an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 leitet.
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Um
einen Kurbelwinkel wee, bei dem eine Kraftstoffeinspritzung durch
den Kraftstoffinjektor 28 beendet werden soll, und einen
Kurbelwinkel wea, bei dem die Einspritzung beginnen soll, abhängig von einer
eine Flugzeit des Kraftstoffes vom Kraftstoffinjektor 28 bis
zum Einlassventil 24 charakterisierenden zweiten Größe zu ermitteln,
wird gemäß einem Verfahren
vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf 2 im
Detail erläutert
wird:
Das Einlassventil wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
einer Brennkraftmaschine 10 von einer Nockenwelle betätigt. Ein
entsprechender Nockenwellensteller, der in 1 jedoch
nicht gezeigt ist, liefert abhängig
vom aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 einen
Kurbelwinkel wevo, der jenen Kurbelwinkel bezeichnet, bei dem das
Einlassventil 24 öffnet.
Zu diesem Kurbelwinkel wevo wird in 44 ein Wert dwvlst
addiert, der eine Kurbelwinkeldifferenz ist und in einer Kennlinie 46 ermittelt
wird. Als Eingangsgröße für die Kennlinie 46 wird
eine Anzahl anzti von Einspritzungen seit einem Starten der Brennkraftmaschine
verwendet. Die Kennlinie 46 ist so ausgelegt, dass sie
mit zunehmender Anzahl anzti von einem Maximalwert bis auf 0 abfällt. Dies
bedeutet, dass ab einer bestimmten Anzahl anzti von Einspritzungen
seit dem Starten der Brennkraftmaschine 10 der Parameter
dwvlst den Wert 0 annimmt.
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Zu
dem Ergebnis der Addition in 44 wird in 48 ein
Parameter dwvlvl addiert, bei dem es sich ebenfalls um eine Kurbelwinkeldifferenz
handelt. Dieser wird mittels einer Kennlinie 50 ermittelt,
die mit dem Ausgang eines Zählers 52 adressiert
wird. Der Wert des Zählers
ist nach unten hin auf einen Minimalwert Min mit dem Wert 0 und
nach oben hin auf einen Maximalwert Max limitiert. Die Kennlinie 50 ist
so ausgestaltet, dass der Parameter dwvlvl bei einer Adressierung
der Kennlinie 50 mit dem minimalen Zählerwert 0 ebenfalls den Wert
0 hat und linear bis zu einem Maximalwert ansteigt, den er bei dem
maximalen Zählerstand
Max annimmt.
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Der
Zähler 52 wird
wiederum vom Ausgang eines Schalters 54 adressiert, dessen
Stellung von einem Bit B_vl beeinflusst wird. Ist das Bit B_vl gleich 0,
wird in den Zähler 52 bei
jeder Einspritzung von Kraftstoff der Wert – 1 eingespeist. Das Bit B_vl
hat den Wert 0, wenn eine Volllastphase der Brennkraftmaschine nicht
vorliegt. Liegt eine solche dagegen vor, hat das Bit B_vl den Wert
1, wodurch der Schalter 54 so geschaltet wird, dass der
Zähler 52 bei
jeder Einspritzung von Kraftstoff beziehungsweise bei jedem Arbeitsspiel
des Zylinders 12 mit dem Wert 1 adressiert wird. Dies alles
bedeutet, dass zu Beginn einer Volllastphase der Brennkraftmaschine
der Zähler 52 vom
Wert 0 auf den Maximalwert Max inkrementiert wird. Wird die Volllastphase
wieder beendet, wird der Zähler 52 von
seinem augenblicklichen Zählerstand,
also höchstens
dem Zählerstand
Max, bei jedem Arbeitsspiel des Zylinders 12 um den Wert
1 dekrementiert bis zum Minimalwert 0.
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Der
Parameter dwvlvl hat also dann, wenn keine Vollastphase vorliegt,
den Wert 0. Zu Beginn einer Vollastphase nimmt er vom Wert 0 zu,
bis höchstens
auf den Maximalwert Max. Nach dem Ende der Volllastphase nimmt der
Parameter dwvlvl wieder allmählich
auf 0 ab. Das Ergebnis der Addition in 48 ist ein Kurbelwinkel
wekelv, ab dem kein Kraftstoff mehr am Einlassventil 24 eintreffen
soll.
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In 56 wird
von dem Kurbelwinkel wekelv ein Kurbelwinkelbereich wflug subtrahiert.
Hierbei handelt es sich um jenen Kurbelwinkelbereich, der von der
Einspritzung des Kraftstoffes am Ort des Kraftstoffinjektors 28 bis
zum Eintreffen des eingespritzten Kraftstoffs am Einlassventil 24 verstreicht.
Um den Kurbelwinkelbereich wflug zu erhalten, wird zunächst in 58 die
Drehzahl nmot, die vom Sensor 22 erfasst wird, mit einer
Umrechnungskonstante KUMZW multipliziert, durch die eine Zeit in
einen Winkel umgerechnet wird. Eine Umrechnungszeitkonstante KUMZW
in Höhe
von 0,006° KW·min/ms
ergibt als Ergebnis in 58 jenen Kurbelwinkelbereich, um
den sich die Kurbelwelle 20 bei der Drehzahl nmot (Dimension 1/min)
in einer tausendstel Sekunde (ms) dreht. Das Ergebnis der Multiplikation
in 58 wird in 60 mit einer Flugzeit TFLUG multipliziert,
bei der es sich um jene Zeit handelt, die der Kraftstoff vom Ort
des Kraftstoffinjektors 28 bis zum Einlassventil 24 benötigt. Das Ergebnis
der Multiplikation in 60 ist die zweite Größe wflug.
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Die
Flugzeit TFLUG des Kraftstoffs vom Kraftstoffinjektor 28 zum
Einlassventil 24 kann in guter Näherung als konstant angenommen
werden. Sie wird in einem Vorversuch ermittelt, in dem die Brennkraftmaschine 10 bei
einem beliebigen Last-/Drehzahlpunkt betrieben und das Einspritz-Ende
wee allmählich
von spät
nach früh
verändert
wird. Sobald sich die HC-Emissionen
verringern, werden der aktuelle Wert für das Einspritz-Ende wee und
der aktuelle Wert wevo für
den Kurbelwinkel, bei dem das Einlassventil 24 öffnet, festgehalten,
und aus der Differenz wird durch eine entsprechende Umrechnung unter
Berücksichtigung
der Drehzahl nmot und der Umrechnungszeitkonstante KUMZW die Flugzeit TFLUG
ermittelt.
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Das
Ergebnis der Subtraktion in 56 ist der Kurbelwinkel wee,
also das Einspritz-Ende. In 62 wird eine Einspritzdauer
ti mit dem Ergebnis der Multiplikation in 58 multipliziert,
was einen Einspritzwinkel wti ergibt. Dieser wird in 64 von
dem Einspritz-Ende wee abgezogen, was den Kurbelwinkel wea ergibt, zu
dem die Einspritzung beginnen soll, also den Einspritz-Anfang.
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In 3 ist
der Öffnungszeitraum
(Kurbelwinkelbereich) des Auslassventils 32 durch einen Balken
mit dem Bezugszeichen 66, der Kurbelwinkelbereich mit offenem
Einlassventil 24 durch einen Balken mit dem Bezugszeichen 68 und
eine Zündung des
Kraftstoffes durch einen Blitz mit dem Bezugszeichen 70 dargestellt.
Ein Ansaugtakt ist mit A, ein Kompressionstakt mit B, ein Arbeitstakt
mit C und ein Ausstoßtakt
mit D bezeichnet. Man erkennt, dass in dem in 3 dargestellten
Normalbetrieb, in dem die Brennkraftmaschine weder in einer Startphase
noch in einer Volllastphase ist, die Einspritzung des Kraftstoffes
(Balken 72) bei einem Kurbelwinkel wea beginnt und bei
einem Kurbelwinkel wee endet, der wiederum so gewählt ist,
dass nach dem der Flugzeit entsprechenden Kurbelwinkelbereich wflug
bei einem Kurbelwinkel wevo kein Kraftstoff mehr am Einlassventil 24 ankommt
und das Einlassventil 24 öffnet (Balken 68).
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In 4 ist
der Kurbelwinkelbereich, während
dem Kraftstoff eingespritzt wird (Balken 72) deutlich länger, er
erstreckt sich nach spät
bis in jenen Kurbelwinkelbereich hinein, während dem das Einlassventil 24 (Balken 68)
geöffnet
ist. Dies wird beispielsweise durch den Parameter dwvlst bewirkt, wenn
eine Startphase der Brennkraftmaschine 10 vorliegt, oder
durch den Parameter dwvlvl, wenn eine Volllastphase der Brennkraftmaschine 10 vorliegt.
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Muss
sehr viel Kraftstoff eingespritzt werden, wie es beispielsweise
bei Volllast der Fall ist, und bei hoher Drehzahl, kann der Kurbelwinkelbereich
einer Einspritzung (Balken 72 in 5) sehr
lang sein. Es versteht sich jedoch, dass der Einspritz-Anfang wea nach
früh begrenzt
ist, da eine Einspritzung 72 erst dann beginnen sollte,
wenn das Einlassventil 24 vom vorhergehenden Arbeitsspiel
geschlossen, also der Ansaugtakt A des vorhergehenden Arbeitsspiels
beendet ist.
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Das
Einspritz-Ende wee kann verallgemeinernd als erste Größe, der
Kurbelwinkelbereich wflug als zweite Größe, der Kurbelwinkel wehelev
als dritte Größe und die
Anzahl anzti von Einspritzungen als vierte Größe bezeichnet werden.