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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird und/oder mittels einer Triggereinheit durch Auslösen einer Selbstentzündung während eines Kompressionszündverbrennungsmodus gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist und die Zünddauer beliebig einstellbar ist.
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Derzeit gibt es viele Bestrebungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei Teillast bei gleichzeitiger Beibehaltung extrem niedriger Schadstoffemissionen. Entdrosselte ottomotorische Schichtbrennverfahren zeigen dabei ein großes Potential hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung. Dabei wird im Schichtbrennverfahren bzw. Magerbetrieb die Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder erst kurz vor dem Zündzeitpunkt vorgenommen, so dass sich zum Zeitpunkt der Zündung trotz einer sehr geringen Menge an eingespritztem Kraftstoff ein zündfähiges Verbrennungsgemisch um die Zündkerze bildet. Da bei einer Entzündung des Verbrennungsgemisches mittels eines konventionellen Zündkerzen-Zündsystems die Entzündung durch einen Zündfunken eingeleitet wird, der sich zwischen der Elektrode und der Masse der Zündkerze ausbreitet, muss die Zündkerze bei sehr kraftstoffarmen Verbrennungsgemischen zum genau richtigen Zeitpunkt und ggf. mit einer längeren Zünddauer gezündet werden. Die Zünddauer bei Zündkerzen-Zündsystemen ist jedoch aufgrund der notwendigen Energie zum Erzeugen des Zündfunken nur in engen Grenzen beeinflussbar. Somit kann es unter Umständen zu sog. Zündaussetzern kommen.
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Neben den herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen werden derzeit neuartige Zündsysteme – sog. Corona-Zündsysteme entwickelt, bei denen das Verbrennungsgemisch nicht über einen Zündfunken, sondern durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas entflammt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zündsystemen wir kein leitfähiger Ionenkanal von der Elektrode bis zur Masse erzeugt, man spricht auch von einem sogenannten unvollständigen Funkendurchbruch. Bei derartigen Corona-Zündsystemen wird bspw. über eine Tesla-Spule, die über eine Hochfrequenz-Wechselspannung in Resonanz versetzt wird, an der Elektrode im Brennraum eine sehr hohe Spannung erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches Feld im Brennraum erzeugt. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf die Molekühle im Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer Feldstärke werden an mehreren Stellen Elektronen aus den Molekülen herausgeschleudert. Es bilden sich Radikale, durch die eine chemische Kettenreaktion im Brennraum in Gang gebracht wird. Aufgrund des erzeugten sogenannten nicht-thermischen Plasmas, welches weit in den Brennraum hineinragt, lässt sich die Brenndauer deutlich verkürzen. Dieser Verbrennungsprozess ist thermodynamisch dem einer herkömmlichen Zündkerzen-Verbrennung deutlich überlegen. Ein Beispiel eines solchen Corona-Zündsystems ist aus der
DE 10 2006 005 792 A1 bekannt.
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Ein alternatives Brennverfahren ist das sog. Kompressionszündverbrennungsverfahren – auch HCCI-Brennverfahren (Homogenous Charge Compression Ignition) genannt – welches bei bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen kann. Beim HCCI-Brennverfahren erfolgt während des Kompressionszündverbrennungsmodus der Brennkraftmaschine die Zündung nicht – wie bei herkömmlichen Verfahren – punktförmig an der Zündkerze, sondern im gesamten Brennraum fast gleichzeitig durch eine Selbstentzündung des Verbrennungsgemisches, da die Zylinderfüllung während der Verdichtung bzw. des Prozessverlaufes Selbstentzündungsbedingungen erreicht und sich somit selbst entzündet. Die Verbrennung wird also nicht durch eine punktförmige Fremdzündquelle initiiert, sondern allein durch die Zündbedingungen im Brennraum bestimmt. Die dafür notwendigen Zündbedingungen werden z. B. durch die Rückführung von heißem Restgas, durch eine Vorheizung der Ansaugluft oder durch eine Erhöhung der Verdichtung sichergestellt. Dieses Brennverfahren weist zum einen ein hohes Verbrauchspotential auf, und zum anderen wird in großen Betriebsbereichen die NOx-Rohemission so weit abgesenkt, dass ein Magerbetrieb auch ohne aufwendige Abgasnachbehandlung möglich wird.
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Aus der noch unveröffentlichten
DE 10 2008 061 769 A1 ist bereits ein Brennverfahren während eines Kompressionszündverbrennungsmodus offenbart, bei dem mittels einer Triggereinheit die Selbstentzündung vor Erreichen der Selbstzündungsbedingungen ausgelöst wird. Die Triggereinheit ist hier als Corona-Zündsystem ausgebildet, das die Selbstentzündung während des Kompressionszündverbrennungsmodus insbesondere durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas auslöst.
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Vor dem Hintergrund eines stabilen Brennverlaufs, einer notwendigen Emissionsreduzierung und einer guten Akustik bei der Verbrennung ist eine Diagnose der Verbrennung notwendig. Insbesondere ist dabei eine Diagnose hinsichtlich des Starts der Verbrennung, von Zündaussetzern, der Entflammungs- bzw. Verbrennungsgeschwindigkeit, der Verbrennungs-Schwerpunktlage oder anderer den Verbrennungsablauf beeinflussender Parameter notwendig, um einen einwandfreien Betrieb der Brennkraftmaschine sicherstellen zu können.
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Neben den oben genannten Verbrennungsparametern ist v. a. auch eine Druckdiagnose während des gesamten Verbrennungs- und Ladungswechseltaktes sinnvoll und notwendig.
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Allgemein sind Drucksysteme bekannt, die entweder über Druckmessdosen, Piezotechnik oder sonstige Messtechniken den momentan vorherrschenden Druck in einem Medium bestimmen. Zur Druckbestimmung im Brennraum eines Zylinders sind Systeme bekannt, die mittels eines separaten Sensors den Druck im Zylinder in Echtzeit bestimmen können. Dabei muss jedoch ein zusätzlicher, direkter Zugang zum Zylinderinnenraum vorhanden sein. Alternativ kann die Drucksensorik auch in einem bereits vorhandenen Bauteil, wie z. B. der Zylinderdichtung, eingebettet sein.
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Durch die zusätzlich notwendige Sensorik ergeben sich eine Reihe von Nachteilen: Zum einen ist – wie bereits oben erwähnt – zusätzlicher Bauraum (auch für eine notwendige Kühltechnik, etc..) notwendig. Weiter ergeben sich durch die (zusätzliche) Sensorik auch Mehrkosten, die vom Hersteller oder Kunden getragen werden müssen. Ist für die Sensorik ein separater Zugang in den Zylinder erforderlich, kann dies zu einer erhöhten Klopfneigung durch entstehende Kanten im Brennraum, sowie zu überlagerten Pfeiffenschwingungen führen, die eine genaue Druckmessung erschweren. Weiter ergibt sich bei einer Druckmessung mittels Zylinderdichtung eine Vergrößerung des Quetschflächenabstandes zwischen Kolben und Zylinderkopf mit den bekannten Nachteilen eines nichthomogenen Brennraums (Emissionen, Klopfneigung ...). Schließlich ist noch zu erwähnen, dass die Lebensdauer der Sensorik begrenzt ist und ein notwendiger Austausch wiederum zu erheblichen Kosten führen würde.
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Die
DE 10 2006 027 204 B3 offenbart bereits ein Verfahren zur Überwachung eines Brennvorgangs in einer Brennkraftmaschine, bei dem das Verbrennungsgemisch mit einem Hochfrequenzplasma (Corona-Zündsystem) gezündet wird. Insbesondere wird in der Schrift angegeben, dass anhand der ermittelten Impedanz Rückschlüsse auf den Verbrennungsvorgang gezogen werden. Da die Impedanz vom Gasdruck abhängig ist, kann mit der Kenntnis der Impedanz ein Rückschluss auf den Druck, insbesondere auf einen Druckanstieg nach erfolgreicher Entflammung vorgenommen werden. Dieses Verfahren erlaubt demnach lediglich eine Druckdiagnose nach erfolgter Entflammung durch Auswertung der Impedanz. Eine Druckdiagnose vor dem Zündzeitpunkt ist nicht möglich.
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Aufgaben der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Druckdiagnose anzugeben, durch das ohne zusätzliche Sensorik der Druck im Zylinder auch vor einer Zündung ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist für jede Art von Otto-Brennkraftmaschine vorgesehen. Um das Verbrennungsgemisch entzünden zu können, muss gemäß einer ersten Alternative ein Zündsystem vorgesehen sein, welches in Abhängigkeit vom ermittelten optimalen Zündzeitpunkt die Zündung des Verbrennungsgemisches veranlasst. Da herkömmliche Zündkerzen-Zündsystemen nur einen sehr kleinen Bereich entflammen können und somit die Verbrennung relativ langsam erfolgt, ist das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet. Dabei wird zum Entflammen des Verbrennungsgemisches am Ignitor bzw. an der Elektrode im Brennraum aufgrund einer Hochfrequenz-Wechselspannung eine derart hohe Spannung erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches Feld im Brennraum hervorruft. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf die Molekühle im Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer Feldstärke werden Elektronen aus den Molekülen herausgeschleudert, d. h. es wird ein unvollständiger Funkendurchbruch (Corona) erzeugt, in welchem Elektronen aus den Atom- bzw. Molekülrümpfen herausgerissen oder -gestoßen werden. Hierdurch wird jedoch kein vollständiger, leitfähiger Ionenkanal von der Hochfrequenz-/-Hochspannungselektrode bis auf die Masse erzeugt (sog. power-arc). Es bilden sich Radikale, durch die eine chemische Kettenreaktion im Brennraum in Gang gebracht wird. Bei geeigneter Wahl der Frequenz ist der Verbrennungsprozess thermodynamisch deutlich besser als bei einer herkömmlichen Zündkerze.
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Alternativ kann das Verbrennungsgemisch auch mittels einer als Corona-Zündsystem ausgebildeten Triggereinheit durch Auslösen einer Selbstentzündung während eines Kompressionszündverbrennungsmodus gezündet werden.
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Grundgedanke der Erfindung ist nun, bei der Verwendung eines Zündsystems bzw. Triggersystems auf Basis einer Corona-Entladung durch Messen und Analysieren der physikalisch-elektrischen Effekte bzw. von elektrischen Messgrößen oder Stellgrößen des Corona-Zündsystems den Druck im Zylinder zu diagnostizieren, d. h. die allgemeine Druckdiagnose erfolgt mit einem sog. Corona-Zündsystem durch Bestimmung der Änderungen oder Feststellung einer elektrischen Mess- oder Stellgröße.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer derart ausgestalteten Otto-Brennkraftmaschine mit einem Corona-Zündsystem (als herkömmliche Zündquelle oder als Triggereinheit) zeichnet sich dadurch aus, dass der Druck durch Anlegen einer Spannung an dem Corona-Zündsystem während des gesamten Ladungswechsel- und Verbrennungstakt und Auswerten einer sich dadurch einstellenden elektrischen Messgröße oder Stellgröße diagnostiziert wird. Mittels dieser Diagnose ist es demnach auch möglich, ganze Druckkurven während des gesamten Ladungswechsel- und Kompressionstaktes abzubilden.
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Vorteilhafterweise wird der Druck dadurch diagnostiziert, dass während des gesamten Ladungswechsel- und Verbrennungstaktes eine Spannung angelegt wird, die zumindest so groß ist, dass ein messbarer Strom (im Sekundärstromkreis) fließt, gleichzeitig aber nicht größer ist als ein vorgegebener Spannungsgrenzwert, wobei der vorgegebene Spannungsgrenzwert derart wählbar ist, dass er einem Wert entspricht, bei dem sich gerade noch keine zündfähige Corona ausbildet (unterhalb der sog. Corona-Einsatzspannung). Durch das Anlegen der Spannung fließt zwar ein Strom, allerdings reicht dieser nicht zum Ausbilden einer zündfähigen Corona aus. Man spricht hierbei auch von einer nichtsichtbaren Corona.
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Wird nun ein eingangs beschriebenes Corona-Zündsystem in einem Medium (z. B. Luft oder Luft-Kraftstoffgemisch) mit einer solche Spannung betrieben, dass zwar ein Strom fließt, sich aber keine zündfähige Corona ausbildet, kann bei einem Konstant-Halten eines Regelparameters (hier Spannung) zumindest ein sich ergebender anderer Parameter gemessen bzw. ermittelt werden. Dies ist unabhängig vom Messort innerhalb des Messaufbaus (Zwischenkreis, Primär-, Sekundärseite, etc.) möglich, da alle Parameter über bestimmte Funktionen zusammenhängen.
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Vorteilhafterweise kann in Abhängigkeit der gemessenen Werte der auszuwertenden Mess- oder Stellgröße des Corona-Zündsystems entweder ein Absolutwert (durch Vergleich mit Werten aus empirischen Vorversuchen und damit als hinterlegte Werte) oder als Relativwert (durch ermittelte physikalische Zusammenhänge) eine Druckänderung oder ein Absolutdruck ausgegeben werden.
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Aufgrund dieses Verfahrens ist somit eine Druckmessung für alle derzeit bekannten Brennverfahren ohne zusätzliche Bauteile und unabhängig von der geometrischen Gestaltung des Brennraums, der Anzahl der Zylinder, der Ausgestaltung des Verbrennungsmotors und der Art des Verbrennungsmediums möglich. Da die zeitliche Auflösung der Ergebnisse in sehr hohen Taktraten möglich ist, ist ein Messen der gesamten Druckkurve über die 720°KW bzw. 360°KW möglich, d. h. der Druck kann punktuell oder kontinuierlich über den gesamten Ladungswechsel- und Verbrennungstakt ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise wird bei der Druckdiagnose als elektrische Messgröße des Corona-Zündsystems ein den Verbrennungsverlauf darstellender Zündparameter des Corona-Zündsystems ausgewertet. Insbesondere kann dabei der sich einstellende Strom an der Primärseite und/oder Sekundärseite des Corona-Zündsystems und/oder der ermittelte Widerstand (Impedanz) und/oder die Frequenz jeweils auf Primär- und Sekundärseite und/oder ein sog. VCO-Spannungs-Signal eines Zwischenschwingkreises ausgewertet werden, da jede dieser elektrischen Messgrößen in Abhängigkeit des Drucks im Zylinder einen charakteristischen Verlauf bzw. Wert aufweist.
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Die VCO-Spannung (Voltage Controlled Oszillator) ist eine sog. „Zwischenkreisspannung” des Zwischenschwingkreises, der unter anderem als Schalter für den hochfrequenten Schwingkreis fungiert. Dieser Zwischenschwingkreis hat folgende Aufgabe: Prinzipiell muss an einem Schwingquarz oder Ähnlichem zunächst eine Spannung angelegt werden, damit dieser in Schwingung kommt. Das übernimmt der Zwischenkreis. Wenn dort Spannung anliegt und eine definierte Frequenz erreicht ist, wird im Primärkreis eine Spannung angelegt. Die Spannung wir nun mit einer hohen Frequenzrate umgepolt und lässt somit die Elektronen im Brennraum schwingen. Bei genügend hoher Spannung und optimaler Frequenz reißen sich Elektronen aus dem Verbund und ergeben eine Kettenreaktion auf die umliegenden Moleküle (Luft-Kraftstoffgemisch).
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Als Diagnosewert für den Druck können insbesondere folgende elektrische Kenn- und Rechengrößen des Systems herangezogen werden, da sie alle in einem direkten Zusammenhang mit dem Druck stehen:
- – Die Coronadurchbruchs-Spannung,
- – Die Impedanz bei einer bestimmten eingestellten Messspannung,
- – Die sich einstellende Stromstärke bei einer fest definierten Spannung,
- – Die Steigung der der eingestellten Spannung nachfolgenden Stromstärke, und/oder
- – Die Güte und Höhe des sich einstellende Spannungs-Stromstärke-Verhältnisses (Impedanz in der Wechselspannung).
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Für die Funktionalität des Verfahrens wird vorausgesetzt, dass während der Messung kein sogenannter „power arc” auftritt. Dabei handelt es sich um einen leitenden Funkenkanal, ähnlich einer Zündkerze, bei dem das System sofort abschaltet und von neuem beginnt. Die schnellen Änderungen der Messwerte würden einen falschen Druck(-verlauf) wiedergeben. Die Wahrscheinlichkeit eines power arcs ist jedoch bei einer Messspannung knapp oberhalb eines Wertes, der zu einem Stromfluss führt, relativ gering.
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Vorteilhafterweise kann die Bestimmung des Zylinderdrucks entweder durch Wertevergleiche anhand von empirisch bestimmten Kennfeldern (Matrix Druck, Spannung, Stromstärke, Impedanz, etc.) von Versuchsmotoren und den momentan gemessenen oder berechneten Werten geschehen. Alternativ kann der Zylinderdruck auch durch vergleichende Größen, die mittels empirisch hergeleiteter Formeln von Versuchsmotoren bestimmt und bewertet werden können, ermittelt werden. Bei einer kontinuierlichen Druckdiagnose können auch weitere Regelungsmechanismen, wie Verbrennungsgüte, Verbrennungsumsatzpunkte, Wirkungsgrad, Klopfregelung, etc. angewendet werden.
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Wie bereits oben erwähnt, kann der Zeitpunkt der Druckmessung völlig unabhängig vom Zustand des Verbrennungs- oder Ladungswechselvorgangs gewählt werden. Dabei kann auch zu einem Zeitpunkt gemessen werden, bei dem der entsprechende Brennraum mit brennbarem Medium gefüllt ist, aber noch keine Zündung erfolgen soll. In diesem Fall darf die eingestellte Spannung nicht so groß gewählt werden, dass eine Entzündung des Gemisches stattfindet. Der entsprechende Spannungsgrenzwert kann bspw. in einem Kennfeld (Matrix Druck, Spannung, ...) hinterlegt werden.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
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1 ein erstes Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer ermittelbaren Stromstärke und dem Zylinderinnendruck beim Anlegen einer vorgegebenen Spannung,
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2 ein zweites Diagramm zur Darstellung eines ermittelbaren Stromverlaufs während eines normalen Verbrennungszyklus beim Anlegen einer vorgegebenen Spannung, und
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3 ein zweites Diagramm zur Darstellung eines ermittelbaren Stromverlaufs während eines klopfenden Verbrennungszyklus beim Anlegen einer vorgegebenen Spannung.
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Anhand der nachfolgenden Beschreibung soll das Messprinzip zur Druckdiagnose mittels den ohnehin vorhandenen Daten und Signalen eines Corona-Zündsystems genauer erläutert werden.
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Mittels Druckkammerversuchen hat sich gezeigt, dass eine direkte Abhängigkeit des vorherrschenden Zylinderinnendrucks und den Messwerte auf der Primärseite des sog. Corona-Zündsystems gegeben ist. Der Zusammenhang zwischen Druck p und Stromstärke I ist in 1 dargestellt. Dabei zeigt die 1, dass bei einem in etwa konstantem Spannungsverlauf U0 (gepunktete Linie) die Stromstärke I0 mit zunehmendem Druck p größer wird.
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In der 2 ist ein Stromverlauf I1 bei konstanter Spannung Umax (gepunktete Linie bei einem Spannungswert, der zu keiner zündfähigen Corona führt) während eine normalen Verbrennungszyklus, d. h. über einen Kurbelwellenwinkel °KW von –400 bis +400 dargestellt. Gleichzeitig ist der im Zylinder vorherrschende Druck p1, der in Relation zur Stromstärke I1 steht, dargestellt.
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Schließlich zeigt 3 noch analog zu 2 ein Stromverlauf I2 bei konstanter Spannung Umax während eine Verbrennungszyklus in einem Bereich von –20°KW bis 50°KW, wobei hier jedoch nicht ein normaler Verbrennungszyklus, sondern eine klopfende Verbrennung im Zylinder herrscht. Dies zeigt sich dadurch, dass im Bereich von ca. 0°KW bis 5°KW eine deutliche Schwankung der Stromstärke I2 (und auch des Drucks p2) zu erkennen ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit insgesamt eine Reihe von Vorteilen: Ein wesentlicher Punkt ist, dass kein zusätzliches Messorgan für eine zylinderselektive Druckmessung notwendig ist (Kosten und Bauraumeinsparung). Da das dazu notwendige Bauteil (Corona-Zündsystem) im Gegensatz zu den am Markt sonstigen erhältlichen Systemen ein sog. „Lifetimecycle-Bauteil” ist, ist dieses derart ausgelegt, dass es in der Regel während eines Motorlebens kaum bis nie ersetzt werden muss. Weiter kann insbesondere auch bei Erprobungen, Kundenreklamationen oder im Service mittels des vorhandenen Corona-Zündsystems, sofern es die Zündkerze ersetzen würde, immer der Zylinderdruck ohne Aufwand gemessen werden. Dadurch wird eine erhebliche Erleichterung bei Fehlerdiagnosen im Erprobungsumfeld wie auch im Servicebereich von Werkstätten geschaffen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann natürlich zu jedem Zeitpunkt innerhalb eines Zyklus ein Wert gemessen werden, der dann mit den vergangenen oder zukünftigen Werten verglichen werden kann. Daraus können sich auch Ableitungen für eine Diagnose ergeben. Z. B. kann eine Erhöhung der Klopfgefahr durch sich aufbauende Rußschichten erkannt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006005792 A1 [0003]
- DE 102008061769 A1 [0005]
- DE 102006027204 B3 [0010]
