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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Steuergerät
zur Erkennung der Kraftstoffqualität während des
Betriebs einer Brennkraftmaschine.
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Zunehmend
steigende Anforderung an Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen,
hinsichtlich der zulässigen Emissionsgrenzwerte sowie Fahrkomfort,
Laufruhe und Kraftstoffverbrauch, erfordern eine möglichst
präzise Steuerung der Kraftstoffverbrennung während
der gesamten Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
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Da
naturgemäß die Qualität des Kraftstoffs einen
großen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine
hat und diese Kraftstoffqualitäten teilweise erheblichen
Streuungen unterliegt, ist die Einhaltung der gesetzlich geforderten
Emissionsgrenzwerte und anderer Anforderungen an die Brennkraftmaschine
oftmals nur möglich, wenn die Qualität des Kraftstoffs
während des Betriebs der Brennkraftmaschine analysiert
und durch Änderungen an der Steuerung der Brennkraftmaschine
bestmöglich kompensiert werden.
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Aus
der
DE 10 2007
012 309 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung der Kraftstoffqualität
einer Brennkraftmaschine bekannt. Dieses Verfahren macht sich den
Effekt zunutze, dass die Zündwilligkeit des Kraftstoffs,
welche sich in der Cetanzahl ausdrückt, entscheidenden
Einfluss auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine hat. Um
die Zündfähigkeit des Kraftstoffs zu erfassen,
wird bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Einspritzzeitpunkt
im Leerlaufbetrieb bei einem Zylinder der Brennkraftmaschine gezielt
solange verändert, bis in den betreffenden Zylinder keine
Verbrennung mehr stattfindet. Die Grenze zwischen einer noch erfolgenden
Zündung und dem Ausbleiben einer Zündung beispielsweise
auf Grund eines geänderten Einspritzbeginns, ist ein Maß für
die zum Einsatz kommende Kraftstoffqualität und wird entsprechend bei
der Steuerung der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
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Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass notwendigerweise während
der Durchführung des Verfahrens ein Zylinder der Brennkraftmaschine
teilweise keinen Beitrag zur Drehmomenterzeugung liefert und infolgedessen
naturgemäß die Laufruhe und die Geräuschentwicklung
der Brennkraftmaschine während dieser Zeiten zu wünschen übrig
lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Erkennung
der Kraftstoffqualität bereitzustellen, dass möglichst
ohne Beeinträchtigungen des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine durchführbar
ist und außerdem keine zusätzliche Hardware erfordert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren
zur Erkennung der Kraftstoffqualität bei einer Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei in bestimmten
Betriebszuständen der Brennkraftmaschine durch gezielte Änderungen
der Ansteuerung mindestens eines für die Verbrennung relevanten
Stellglieds das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine beeinflusst
wird und eine daraus resultierende Änderung des Betriebsverhaltens
als Maß für die Kraftstoffqualität verwendet
wird, dadurch gelöst, dass als für die Verbrennung
relevantes Stellglied eine Glüheinrichtung der Brennkraftmaschine
eingesetzt wird.
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Der
erfindungsgemäße Einsatz der ohnehin bei modernen
nach dem Dieselverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine vorhandenen
Glüheinrichtung ermöglicht es, die Kraftstoffqualität
zu ermitteln, ohne dass es zu Zündaussetzern kommt. Vielmehr verbessert
die Glüheinrichtung die Bedingungen für die Verbrennung
des Kraftstoffluftgemisch im Brennraum, so dass die Verbrennung
stabilisiert wird und infolgedessen die Laufruhe und andere relevante
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, wie Emissionen und Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine auch während der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist auch ohne zusätzliche
Hardware durchführbar, da Glüheinrichtungen bei
modernen PKW-Dieselmotoren standardmäßig vorhanden
sind. Diese Glüheinrichtungen können auch während
des Betriebs der Brennkraftmaschine zum sogenannten Zwischenglühen
eingesetzt werden, so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren
keinen nachteiligen Einfluss auf die Lebensdauer der Glüheinrichtung
hat. Dies gilt insbesondere wenn die Glüheinrichtung elektronisch geregelt
ist.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es, dass nach erfolgter Kompensation der Unterschiede in der
Kraftstoffqualität, beispielsweise durch Änderungen
am Einspritzbeginn und anderen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, durch
ein erneutes Einschalten der Glüheinrichtung die Wirksamkeit
der vorgenommenen Adaption von Betriebsparametern überprüft
werden kann. Nach einer erfolgreichen Adaption der Ansteuerparameter der
Brennkraftmaschine führt das erneute Einschalten der Glüheinrichtung
nicht mehr zu einer signifikanten Verbesserung des Brennverlaufs
mehr und wirkt sich daher nicht mehr auf die Drehzahl oder die Leerlaufeinspritzmenge
der Brennkraftmaschine aus. In diesem Fall war die Adaption erfolgreich.
Andernfalls kann das erfindungsgemäße Verfahren
wiederholt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahrens ist während
der gesamten Lebensdauer der Brennkraftmaschine durchführbar.
Infolgedessen kann die Anpassung der Steuerung der Brennkraftmaschine
an unterschiedliche Kraftstoffqualitäten, die sich nach
jedem Tankvorgang ändern können, stets mit sehr
hoher Qualität und Güte vorgenommen werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sehen vor, dass das Verfahren im Leerlauf der Brennkraftmaschine
und/oder wenn eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine größer
als ein vorgegebener Schwellwert ist, durchgeführt wird.
Dadurch ist es möglich, dass andere Einflüsse,
die sich beispielsweise durch Änderungen der Betriebstemperatur
ergeben, nicht auftreten und dadurch die Erkennung der Kraftstoffqualität verbessert
wird.
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Um
den Einfluss von Störgrößen auf das erfindungsgemäße
Verfahren zu minimieren, kann weiter vorgesehen sein, dass während
der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens mindestens die Abgasrückführung deaktiviert
wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass Veränderungen des Betriebsverhaltens
der Brennkraftmaschine durch Änderungen der Einspritzmenge
eines Leerlaufreglers erkannt werden. Diese Änderungen der
Einspritzmenge, die vom Leerlaufregler bestimmt werden, sie liegen
ohnehin im Steuergerät vor und können daher ohne
zusätzlichen Aufwand und Rechenzeitbedarf vom Steuergerät
abgefragt und für die Erkennung von Änderungen
des Betriebsverhaltens herangezogen werden.
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So
kann beispielsweise durch den Vergleich der Einspritzmengen im Normalbetrieb
und mit eingeschalteter Glüheinrichtung als Änderung
des Betriebsverhaltens detektiert werden, wenn diese Änderung
größer als ein vorgegebener Schwellwert ist. Alternativ
ist es auch möglich, die Ausgangsgrößen
eines Laufruhereglers zur Detektion von Änderungen des
Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine heranzuziehen. Alternativ
ist es auch möglich, die Geräuschentwicklung der
Brennkraftmaschine heranzuziehen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn ein Klopfsensor ohnehin vorhanden ist und die vom Klopfsensor
erfassten Motorgeräusche ohnehin ausgewertet werden. Selbstverständlich
ist es auch möglich, über eine Auswertung des
Brennraumdrucks Änderungen im Betriebsverhalten festzustellen.
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Des
Weiteren ist es auch möglich, Änderungen des Betriebsverhaltens
der Brennkraftmaschine durch Änderungen der Abgaszusammensetzung, insbesondere
des Gehalts an Sauerstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffeh
zu erkennen.
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Allen
diesen Möglichkeiten zur Erkennung der von Veränderungen
des Betriebsverhaltens ist gemeinsam, dass Komponenten der Brennkraftmaschine
benötigt werden, die ohnehin schon beispielsweise für
die Klopfregelung, die Verbrennungsregelung, die Abgasnachbehandlung
und anders mehr vorhanden sind, so dass keine zusätzlichen
Hardwarekosten entstehen. Außerdem ist ein weiterer Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens darin zu sehen,
dass der Rechenzeitbedarf sehr gering ist und durch das erfindungsgemäß vorgesehene
Abschalten bestimmter Funktionen, wie beispielsweise einer Abgasrückführung,
die Auslastung des Steuergeräts sogar reduziert werden
kann.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
genannten Vorteile können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination
miteinander erfindungswesentlich sein.
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Es
zeigen:
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1 den
Verlauf des Brennraumdrucks und der Heizenergie über dem
Kurbelwellenwinkel φ in Abhängigkeit der Kraftstoffqualität,
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2 verschiedene
Blockdiagramme aus denen die Einflüsse unterschiedlicher
Kraftstoffqualitäten auf verschiedene Parameter der Brennkraftmaschine
ergeben und
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3 der
Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In 1 ist
auf der X-Achse der Kurbelwellenwinkel φ aufgetragen. Null
Grad Kurbelwellenwinkel φ entspricht dem oberen Totpunkt.
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Über
dem Kurbelwellenwinkel φ sind der Zylinderdruck pzyl und der Heizverlauf HV aufgetragen.
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Um
den Einfluss unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten auf
eine Brennkraftmaschine deutlich zu machen, wurden in Versuchsreihen
die identische Brennkraftmaschine mit verschiedenen Kraftstoffqualitäten
betrieben. Diese Kraftstoffqualitäten Q1 und Q2 unterscheiden
sich hinsichtlich ihrer Cetanzahl. Bei der Kraftstoffqualität
Q1 ist die Cetanzahl und damit die Zündwilligkeit höher
als bei der Kraftstoffqualität Q2.
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Signifikante
Unterschiede ergeben sich bezüglich des Zylinderdrucks
pzyl im Bereich des oberen Totpunkts OT,
entsprechend einem Kurbelwellenwinkel φ von 0°.
Aus 1 wird deutlich, dass bei sonst gleichen Randbedingungen
der Zylinderdruck pzyl bei Verwendung der
Kraftstoffqualität Q1 einen Wert von etwa 23 Bar erreicht,
während bei der das Maximum des Zylinderdrucks pzyl bei Verwendung der Kraftstoffqualität
Q2 nur etwa bei 22,5 Bar liegt.
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Wenn
man den Heizverlauf HV betrachtet wird ebenfalls deutlich, dass
der Heizverlauf HV in Abhängigkeit der eingesetzten Kraftstoffqualitäten Q1,
Q2 signifikante Unterschiede aufweist, die zur Erkennung der Kraftstoffqualität
ebenso wie der Brennraumdruck pzyl eingesetzt
werden können.
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Bei
einem Kurbelwellenwinkel φ von etwa – 8 findet
eine Voreinspritzung PI statt. Auf Grund des Zündverzugs
wird die bei der Voreinspritzung PI eingespritzte Kraftstoffmenge
bei einem Kurbelwellenwinkel φ von etwa 10° umgesetzt.
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Durch
den Vergleich der Linien Q1 und Q2 bezüglich des Heizverlaufs
HV im Bereich der Voreinspritzung PI, entsprechend etwa 10° Kurbelwellenwinkel φ,
wird deutlich, dass bei der Kraftstoffqualität Q2 mit einer
geringeren Zündwilligkeit auf Grund der niedrigeren Cetanzahl
von etwa 47 nahezu keine Energieumsetzung stattfindet, während
bei der Kraftstoffqualität Q1 mit einer Cetanzahl von etwa
53 eine signifikante Energieumsetzung stattfindet.
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Entsprechendes
gilt auch für die Haupteinspritzungen HI, bei der die Energieumsetzung
im Wesentlichen bei etwa 20° Kurbelwellenwinkel φ stattfindet,
und der Nacheinspritzung NE, deren Energieumsetzung bei etwa 80° Kurbelwellenwinkel φ stattfindet.
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Die
Unterschiede bei der Energieumsetzung der unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten
Q1 und Q2 führen auch zu Unterschieden im Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine. Durch Anpassung von verschiedenen Parametern
der Steuerung der Brennkraftmaschine können die durch die
Kraftstoffqualität verursachten Unterschiede in der Energieumsetzung mindestens
teilweise kompensiert werden. Geeignete Parameter sind beispielsweise
Spritzbeginn und/oder Einspritzdauer der Voreinspritzungen PI1 und/oder
PI2, der Haupteinspritzung HI und/oder der Nacheinspritzung NE sowie
der Raildruck.
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Voraussetzung
hierfür ist jedoch, dass die Kraftstoffqualität
während des Betriebs der Brennkraftmaschine erkannt und
durch entsprechende Korrekturgrößen bei der Ansteuerung
der Injektoren der Brennkraftmaschine und anderer Stellglieder der Brennkraftmaschine
entsprechend berücksichtigt werden können.
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Der
aus 1 bereits deutlich gewordene Zusammenhang zwischen
Betriebsverhalten und der Brennkraftmaschine und der Kraftstoffqualität
wird auch durch die Blockdiagramme in 2 deutlich. Dabei
ist jeweils der linke Balken der Kraftstoffqualität Q1
und der rechte Balken der Kraftstoffqualität Q3 zuzuordnen.
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Ohne
auf alle Größen im Detail einzugehen wird deutlich,
dass charakteristische Temperaturen T3, T4 sowie TDPF-V signifikante
Unterschiede aufweisen.
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Dabei
bedeuten
- T3:
- Temperatur der Luft
vor einem Turbolader
- T4:
- Temperatur der Luft
nacheinem Turbolader und
- TDPF-V:
- Temperatur der Abgase
vor einem Partikelfilter.
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In
der zweiten Reihe von Blockdiagrammen der 3 wird auch
der Einfluss der Kraftstoffqualität auf die Abgaszusammensetzung,
nämlich die Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO und
den Sauerstoffgehalt, deutlich. Entsprechendes gilt für die
Parameter α Fahrpedalstellung und BE spezifischer Kraftstoffverbrauch
in der dritten Reihe.
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Dabei
bedeuten
- α:
- Fahrpedalstellung
und
- BE:
- spezifischer Kraftstoffverbrauch.
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In
der vierten Reihe von Blockschaltbildern ist die Laufruhe LR der
Brennkraftmaschine als Standardabweichung und das Geräusch
G der Brennkraftmaschine in Dezibel dargestellt. Auch hier ergeben
sich signifikante Unterschiede auf Grund der Verwendung unterschiedlicher
Kraftstoffqualitäten. Alle diese Größen
können zur Detektion von Änderungen des Betriebsverhaltens
aufgrund unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten herangezogen
werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, nur solche Parameter heranzuziehen,
deren Sensorik ohnehin vorhanden ist. Dies ist beispielsweise beim
Sauerstoffgehalt dann gegeben, wenn eine Lambdasonde in der Abgasnachbehandlungseinrichtung
vorhanden ist.
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Auch
wird die Laufruhe LR ohnehin ermittelt, wenn das Steuergerät
einen sogenannten Laufruheregler hat. Das Verbrennungsgeräusch
G kann ohne zusätzlichen Hardwareaufwand ermittelt und
für das erfindungsgemäße Verfahren herangezogen
werden, wenn ohnehin Klopfsensoren oder mindestens ein Klopfsensor
an der Brennkraftmaschine vorhanden ist.
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Anhand
der 3 wird nachfolgend die Funktionsweise und die
Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
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In 3 ist
auf einer X-Achse die Zeit T aufgetragen, während auf einer
Y-Achse die Einspritzmenge E im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine aufgetragen
ist.
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In
einem ersten Zeitintervall, welches zur Zeit T1 endet, wird die
Brennkraftmaschine im Leerlauf betrieben. Daraus resultiert eine
Einspritzmenge E1, die von der Kraftstoffqualität abhängt.
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In
einem zweiten Intervall, welches bei T1 beginnt und bei T2 endet,
wird die Glüheinrichtung der Brennkraftmaschine aktiviert.
Dadurch verbessern sich die Zündbedingungen in den Brennräumen der
Brenhkraftmaschine, so dass auch Kraftstoffe mit geringerer Cetanzahl
sicher zünden und sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
verbessert. Infolgedessen reduziert der Leerlaufregler die eingespritzte
Kraftstoffmenge auf einen niedrigeren Wert E2.
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Zum
Zeitpunkt T2 wird die Glüheinrichtung wieder abgeschaltet.
Wegen der nun verschlechterten Zündbedingungen hebt der
Leerlaufregler unmittelbar nach T2 die Einspritzmenge von E2 wieder
auf E1 an.
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Die
Differenz der Einspritzmengen ΔE (ΔE = E1 – E2)
ist ein Maß für die Qualität des eingesetzten Kraftstoffs.
Grundsätzlich gilt: Je größer ΔE,
desto minderwertiger ist der Kraftstoff. Der Zusammenhang zwischen ΔE
und der Kraftstoffqualität kann in Form einer Kennlinie
oder als Funktion im Steuergerät der Brennkraftmaschine
hinterlegt werden.
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Nachdem
auf diese Weise die Kraftstoffqualität ermittelt wurde,
kann durch eine entsprechende Adaption/Korrektur von Steuerparametern,
beispielsweise Einspritzbeginn, Zahl der Voreinspritzungen, Einspritzmenge
und anderem mehr, die Brennkraftmaschine an die nunmehr bekannte
Kraftstoffqualität angepasst werden.
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Diese
Anpassung erfolgt in dem dritten Zeitintervall, welches bei T2 beginnt
und T3 endet. Da diese Anpassung beziehungsweise Korrektur langsamer
ist als der Leerlaufregler, setzt sich direkt nach T2 die vom Leerlaufregler
veranlasste Änderung der Einspritzmenge gegenüber
der Korrektur der Betriebsparameter auf Grund der unterschiedlichen
Kraftstoffqualitäten durch. Allerdings nimmt der Einfluss der
Korrektur der Betriebsparameter mit zunehmendem Abstand vom Zeitpunkt
T2 durch und überwiegt zum Zeitpunkt T3 den Leerlaufregler.
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Wenn
nun die Korrektur der für den Betrieb der Brennkraftmaschine
relevanten Stellgrößen, auf Basis der durch das
erfindungsgemäße Verfahren ermittelten Kraftstoffqualität
eine vollständige Kompensation der unterschiedlichen Kraftstoffqualität
ermöglicht haben, verursacht ein erneutes Einschalten der Glüheinrichtung
in einem vierten Zeitintervall, beginnend zum Zeitpunkt T3 und endend
zum Zeitpunkt T4 zu keiner signifikanten Änderung der Einspritzmengen
im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine mehr. Wenn die Adaption
die Änderung der Kraftstoffqualität nur teilweise
kompensiert hat, ändert sich die Einspritzmenge nach einem
erneuten Einschalten der Glüheinrichtung (T > T4) nochmals (nicht
dargestellt) und das erfindungsgemäße Verfahren
kann erneut durchgeführt werden.
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Somit
ist eine Kontrolle der Erkennung der Kraftstoffqualität
und der Wirksamkeit der Adaption der Ansteuergrößen
der Brennkraftmaschine an die vorhandene Kraftstoffqualität
möglich. Wenn die Adaption noch nicht ausreichend gut gelungen
ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren erneut
durchgeführt werden.
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Da
sich die Kraftstoffqualität bei Fahrzeugen in der Regel
nur dann signifikant ändert, wenn der Kraftstofftank befüllt
wurde, ist es auch möglich und in den weitaus meisten Fällen
ausreichend, das erfindungsgemäße Verfahren nach
jeder Betankung durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007012309
A1 [0004]