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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von vor einem vorgegebenen Zündzeitpunkt auftretender irregulärer Verbrennung in einem Brennraum eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung.
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Bei einem Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung wird im Homogenmodus typischerweise der Kraftstoff im Ansaughub einspritzt. Hierdurch bleibt genug Zeit, dass sich ein homogenes Gemisch mit gleichmäßiger Verteilung bildet (s. beispielsweise Ottomotor-Management, 3. Auflage, Robert Bosch GmbH, Seite 122).
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Bei Ottomotoren, insbesondere bei hochaufgeladenen Ottomotoren mit hoher Leistung, kann es zu irregulären Verbrennungsereignissen kommen, die vor dem eigentlichen durch das Zündsystem vorgegebenen Zündzeitpunkt liegen. Dies wird auch als Vorentflammung bezeichnet. Bei derartigen irregulären Verbrennungsereignissen können sehr hohe Druckamplituden erreicht werden, wodurch es zu Bauteilschädigung bis hin zum Motorschaden kommen kann. Außerdem können Vorentflammungen zu einer Reduktion des Motormoments führen.
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Es ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2006 015 662 A1 bekannt, mittels eines Sensors eine Detektion von Vorentflammungen durchzuführen und in Abhängigkeit der Detektion eine Abschaltung des betroffenen Zylinders durchzuführen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 008 248 B4 ist es bekannt, zur Verhinderung von Vorentflammungen durch Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmasse ein kraftstoffreicheres Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum zu erzeugen. In ähnlicher Weise wird in Druckschrift
DE 10 2008 038 102 B4 zur Verhinderung eine Vorentflammung eine zusätzliche Kraftstoffmehrmenge eingespritzt. Dabei wird die Kraftstoffmenge derart erhöht, dass die Brennraumtemperatur gesenkt wird. Analog wird in der Druckschrift
WO 2010/124699 A1 nach dem Erkennen einer irregulären Verbrennung eine ein fettes Luftverhältnis verursachende Kraftstoffmenge eingespritzt.
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Ferner ist es aus der Druckschrift
DE 10 2010 004 091 A1 bekannt, ein Maß für die Stärke einer Vorentflammung zu bestimmen und in Abhängigkeit von dem Maß für die Stärke der Vorentflammung eine Vielfacheinspritzung von Kraftstoff vorzunehmen.
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Aus der Druckschrift
DE 199 08 729 A1 ist eine Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei der eine erste Einspritzung in einen Ansaugtrakt erfolgt. Ausgehend von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine wird ein Klopfneigungssignal bestimmt, das die Klopfneigung der Brennkraftmaschine charakterisiert. Eine wenigstens zweite Einspritzung erfolgt dann, wenn das Klopfneigungssignal einen Schwellwert übersteigt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2004 043 872 A1 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine für den Betrieb mit Benzin oder Dieselkraftstoff bekannt, die eine Zündvorrichtung und eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung besitzt. In die Kolben der Brennkraftmaschine ist jeweils eine Brennraummulde eingearbeitet. Eine wesentliche Besonderheit besteht darin, dass für beide Brennverfahren (Benzin- wie Dieselbetrieb) eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zum Einsatz kommt, die Mehrloch-Einspritzventile oder außenöffnende Kegelstrahlventile mit kegelförmigem Strahlbild und Strahlöffnungswinkeln zwischen 70° und 150° aufweist, und dass der Motorbetrieb bei Benzin-Direkteinspritzung nach dem strahlgeführten und bei Diesel-Direkteinspritzung nach dem luftverteilten Brennverfahren erfolgt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiteres Verfahren zur Unterdrückung von vor einem vorgegebenen Zündzeitpunkt auftretender irregulärer Verbrennung und eine entsprechende Motorsteuerung anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung (d.h. zur vollständigen Vermeidung oder zumindest zur Reduktion) von vor einem vorgegebenen Zündzeitpunkt auftretender irregulärer Verbrennung in einem Brennraum eines 4-Takt-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung. Bei dem Motor handelt es sich vorzugsweise um einen Ottomotor. Außerdem ist vorzugsweise eine Aufladung, insbesondere mittels Abgasturbolader, vorgesehen. Bei dem Verfahren wird zunächst das Auftreten von irregulärer Verbrennung erkannt, beispielsweise indem das Auftreten einer gewissen Anzahl von irregulären Verbrennungsereignissen festgestellt wird. Es kann alternativ auch erkannt werden, dass eine erhöhte Gefahr hierfür vorliegt, ohne dass schon tatsächlich irreguläre Verbrennungsereignisse aufgetreten sind.
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In Abhängigkeit des Erkennens wird zur Unterdrückung irregulärer Verbrennung auf einen speziellen Betrieb mit Zweifacheinspritzung umgeschaltet. Bei der Zweifacheinspritzung wird eine erste Einspritzmasse während des Ansaugtakes eines vier Takte umfassenden Arbeitsspiels (Ansaugen, Kompression, Arbeiten und Ausstoßen) eingespritzt. Eine zweite Einspritzmasse wird innerhalb desselben Arbeitsspiels zeitlich danach eingespritzt. Die zweite Einspritzmasse wird vorzugsweise zeitlich so spät eingespritzt, dass zum bisherigen Beginn der Vorentflammung das Gemisch nicht selbst zündfähig ist. Die Einspritzung der zweiten Einspritzmasse erfolgt dazu im Kompressionstakt (d. h. im Zeitraum zwischen dem unteren Totpunkt des Ladungswechsels und dem oberen Totpunkt) oder später, beispielsweise teilweise im Kompressionstakt als auch teilweise im Arbeitstakt oder nur im Arbeitstakt. Diese Zweifacheinspritzung kann beispielsweise für mehrere Arbeitsspiele (beispielsweise 3-5 Arbeitsspiele) vorgesehen werden, bevor wieder auf Einfacheinspritzung zurückgeschaltet wird. Vorzugsweise liegt vor der Umschaltung ein Betrieb mit Einfacheinspritzung vor. Es ist aber auch denkbar, dass direkt vor der Umschaltung bereits ein Betrieb mit Zweifacheinspritzung vorliegt, wobei im Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Betrieb die Einspritzung der späteren der beiden Einspritzmasse nicht im Kompressionstakt oder später erfolgt, sondern schon früher; die spätere Einspritzung wird beim Umschalten beispielsweise zeitlich auf einen später Zeitpunkt vorschoben.
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Da bei der Zweifacheinspritzung die gesamte Einspritzmasse in eine erste Einspritzmasse im Ansaughub und einen zweite, zeitlich später eingespritzte Einspritzmasse aufgeteilt wird, kann die Vorentflammungsneigung des Gemisches bei der Stellung der Kurbelwelle, bei der bei Einfacheinspritzung Vorentflammungen auftreten (beispielsweise 70° bis 20° vor dem oberen Totpunkt), herabgesetzt werden. Das Gemisch weist nämlich zu diesem Zeitpunkt bei Zweifacheinspritzung typischerweise weniger Kraftstoff im Vergleich zur Einfacheinspritzung auf und kann sich daher weniger leicht entzünden, so dass Vorentflammungen unterdrückt werden. Derartige Vorentflammungen treten während des Betriebs mit Zweifacheinspritzung in reduzierter Form oder überhaupt nicht mehr auf. Hierdurch werden Bauteilschäden und eine Reduktion des Motormoments aufgrund von Vorentflammungen erheblich reduziert oder gänzlich vermieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens liegt die Einspritzung der zweiten Einspritzmasse oder zumindest der Schwerpunkt der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse zeitlich vor dem Erreichen des zwischen Kompressions- und Arbeitstakt befindlichen oberen Totpunkts. Dieser obere Totpunkt wird auch als Zünd-OT bezeichnet.
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Es ist von Vorteil, wenn der Anteil der ersten Einspritzmasse an der während des Arbeitsspiels angespritzten Gesamteinspritzmasse kleiner als der Anteil der zweiten Einspritzmasse ist. Wenn nämlich die zeitlich später eingespritzte zweite Einspritzmasse geringer als die erste Einspritzmasse ist, wird die Vorentflammungsneigung weiter herabgesetzt, da bei der Stellung der Kurbelwelle, bei der die bisherigen Vorentflammungen aufgetreten sind, das Gemisch deutlich magerer im Vergleich zu vor der Umschaltung auf Zweifacheinspritzung ist.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Anteil der ersten Einspritzmasse an der während des Arbeitsspiels angespritzten Gesamteinspritzmasse 10 - 30 % entspricht und der Anteil der zweiten Einspritzmasse an der Gesamteinspritzmasse 70 - 90 % entspricht.
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Vorzugsweise wird mit der ersten Einspritzmasse so wenig Kraftstoff eingespritzt, dass nach dem Einspritzen der ersten Einspritzmasse und vor dem Einspritzen der zweiten Einspritzmasse ein mageres Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 vorliegt. Nach dem Einspritzen der zweiten Einspritzmasse ergibt sich vorzugsweise ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis mit λ = 1 oder sogar ein fettes Gemisch mit λ < 1.
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Beispielsweise liegt der Beginn der Einspritzung der ersten Einspritzmasse im Bereich von 310° KW bis 270° KW vor dem Zünd-OT. Das Ende der Einspritzung der ersten Einspritzmasse liegt beispielsweise im Bereich von 260° KW bis 220° KW vor Zünd-OT.
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Der Beginn der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse liegt beispielsweise im Bereich von 95° KW bis 55° KW vor dem Zünd-OT. Das Ende der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse liegt beispielsweise im Bereich von 10° KW vor dem Zünd-OT bis 30° KW nach Zünd-OT.
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Die Zündung des Kraftstoff-Luftstoff-Gemisches erfolgt vorzugsweise während oder nach der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse.
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Die zeitliche Lage der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse kann gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform fest sein. Beispielsweise kann der Anfang oder das Ende der zweiten Einspritzung auf einen bestimmten, festen Winkel vor Zünd-OT festgelegt sein. Beispielsweise ist das Ende auf 10° vor dem Zünd-OT festgelegt.
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Erfindungsgemäß ist die zeitliche Lage des Endes der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse von dem Zündzeitpunkt abhängig. Das Einspritzende für die zweite Einspritzmasse liegt erfindungsgemäß um einen bestimmten Winkelversatz (insbesondere 5° bis 15°) zeitlich vor dem Zündzeitpunkt. Hierbei wird vorzugsweise der Zündzeitpunkt mittels einer Klopfregelung geregelt. Die zweite Ausführungsform bietet den Vorteil, dass aufgrund der Kopplung an den Zündzeitpunkt die mit der Zweifacheinspritzung typischerweise inhärente Momentenreduktion verringert wird.
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Vorzugsweise wurde der Motor vor dem Umschalten im konventionellen Homogenbetrieb betrieben, wobei die gesamte Einspritzmasse als Einfacheinspritzung im Ansaughub eingespritzt wurde. Der Zeitpunkt der Einspritzung bei Einfacheinspritzung ist beispielsweise ähnlich zu dem Zeitpunkt der Einspritzung der ersten Einspritzmasse bei Zweifacheinspritzung.
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Es ist aber auch denkbar, dass vor dem Umschalten schon eine ZweifachEinspritzung vorlag, wobei aber im Unterschied zu der erfindungsgemäßen Zweifacheinspritzung die Einspritzung der zeitlich späteren Einspritzmasse nicht im Kompressionstakt oder später erfolgt, sondern früher.
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Gemäß einer Ausführungsform bleibt nach Umschalten auf den Betrieb mit Zweifacheinspritzung die pro Arbeitsspiel insgesamt eingespritzte Einspritzmasse zumindest für das erste Arbeitsspiel mit Zweifacheinspritzung gleich im Vergleich zu dem letzten Arbeitsspiel vor dem Umschalten auf Zweifacheinspritzung. Die Einspritzmasse kann nach Umschalten auf Zweifacheinspritzung nicht nur für die das erste Arbeitsspiel mit Zweifacheinspritzung gleich zur vor dem Umschalten sein, sondern auch für eine Mehrzahl unmittelbar aufeinanderfolgende Arbeitsspiele mit Zweifacheinspritzung nach Umschalten oder sogar für sämtliche unmittelbar aufeinander folgende Arbeitsspiele mit Zweifacheinspritzung nach Umschalten.
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Als Reaktion auf die irreguläre Verbrennung kann die Menge der eingespritzten Kraftstoffgesamtmasse verändert werden. Es kann vorgesehen sein, dass zumindest in einem Arbeitsspiel nach Umschalten auf Zweifacheinspritzung (beispielsweise schon direkt im zeitlich ersten Arbeitsspiel nach Umschalten oder erst später im Betrieb mit Zweifacheinspritzung) die Einspritzmasse größer als in dem letzten Arbeitsspiel vor dem Umschalten auf Zweifacheinspritzung ist. Beispielsweise kann sofort für das erste Arbeitsspiel nach Umschalten oder innerhalb mehrerer Arbeitsspiele mit Zweifacheinspritzung als Folgereaktion das Verbrennungsluftverhältnis verringert werden, so dass das Gemisch fetter als vor dem Umschalten ist.
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Neben der Zweifacheinspritzung kann als weitere Maßnahme zur Verhinderung von irregulärer Verbrennung eine Zylinderabschaltung und/oder eine Begrenzung des Drehmoments vorgesehen werden. Eine derartige weitere Maßnahme ist vorzugsweise der Zweifacheinspritzung nachgelagert, d. h. wird erst dann durchgeführt, wenn die Maßnahme der Zweifacheinspritzung bereits durchgeführt wurde.
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Wenn nach dem Durchführen der Zweifacheinspritzung für eine gewisse Anzahl von Arbeitsspielen und anschließendem Umschalten auf Einfacheinspritzung weiterhin irreguläre Verbrennung auftritt, kann beispielsweise der betroffen Zylinder deaktiviert werden, insbesondere durch Ausblendung der Einspritzung für diesen Zylinder.
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Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass nach n-maligem Umschalten in den Betrieb mit Zweifacheinspritzung das Drehmoment auf einen Wert unterhalb des vor der Begrenzung zulässigen Momentenwert begrenzt wird, beispielsweise nach 11-maligem Umschalten innerhalb eines Fahrtzyklus beginnend mit Starten der Zündung durch den Fahrer und endend mit Ausschalten der Zündung durch den Fahrer (Driving cycle).
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Diese Begrenzung des Drehmoments ist beispielsweise nach Beenden des Fahrtzyklus und Neustart der Zündung wieder aufgehoben. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, die Begrenzung des Drehmoments mit Neubetankung des Fahrzeugs aufzuheben.
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Bei dem begrenzten Drehmoment handelt es sich typischerweise um das Drehmoment sämtlicher Zylinder, da die Motorsteuerung typischerweise keine zylinderbezogene Drehmomentenbegrenzung erlaubt. Es wäre aber auch denkbar, nur das Drehmoment für den betroffenen Zylinder zu begrenzen.
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Das Drehmoment kann beispielsweise auf einen Wert von 12 % unterhalb des maximalen Momentenwerts begrenzt werden. Bei weiterer Zunahme der Anzahl der Umschaltvorgänge auf Zweifacheinspritzung kann die Momentenbegrenzung weiter verstärkt werden, beispielsweise kann eine Begrenzung auf 1/3 unterhalb des maximalen Momentenwerts bei 16-fachem Umschalten auf Zweifacheinspritzung erfolgen. Die Momentenbegrenzung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Ladedruck begrenzt wird.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf eine Motorsteuerung für einen 4-Takt-Verbrennungsmotor gerichtet. Hierbei umfasst die Motorsteuerung eine Funktion zur Unterdrückung von irregulärer Verbrennung wie vorstehend beschrieben.
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Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Motorsteuerung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterdrückung von vor einem vorgegebenen Zündzeitpunkt auftretender irregulärer Verbrennung; und
- 2 ein Ausführungsbeispiel für die Zweifacheinspritzung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterdrückung von vor einem vorgegebenen Zündzeitpunkt auftretender irregulärer Verbrennung vereinfacht dargestellt. Das nachfolgend beschriebene Verfahren wird für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors durchgeführt. Im Folgenden wird das Verfahren für einen Zylinder beschrieben.
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Gemäß Verfahrensschritt 100 werden kontinuierlich irreguläre Verbrennungsereignisse detektiert. Dazu wird beispielsweise ein Körperschallsignal eines Klopfsensors und/oder ein Drucksignal eines Drucksensors ausgewertet. Wenn eine Vorentflammung detektiert wurde, wird ein Zählerstand um einen bestimmten Wert inkrementiert (beispielsweise um den Wert 32). Außerdem wird vorzugsweise der Zählerstand bei Detektierten eines starken Klopfers (keine Vorentflammung) um einen dazu geringeren Wert inkrementiert (beispielsweise um den Wert 15). Bei einem Arbeitsspiel ohne ein derartiges Ereignis wird vorzugsweise der Zählerstand um einen bestimmten Wert dekrementiert (beispielsweise um den Wert 1). Wenn der Zählerstand einen bestimmten Schwellwert cTH (beispielsweise cTH = 140) erreicht hat oder überschreitet (s. Abfrage 110), wird in einen Betrieb mit Zweifacheinspritzung umgeschaltet (s. Schritt 120). Falls bereits eine bestimmte Anzahl von Malen auf Zweifacheinspritzung umgeschaltet worden ist, erfolgt außerdem eine Begrenzung des Drehmoments (s. Schritt 120). Die Zweifacheinspritzung wird beispielsweise für 3-5 Arbeitsspiele durchgeführt. Wenn nach der Zweifacheinspritzung weiterhin irreguläre Verbrennungsereignisse auftreten (s. Abfrage 130), erfolgt eine Zylinderabschaltung (s. Schritt 140), insbesondere eine Ausblendung der Einspritzung für den betroffenen Zylinder.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die in Schritt 120 durchgeführte Zweifacheinspritzung dargestellt. 2 zeigt den Verlauf der eingespritzten Kraftstoffmenge (Y-Achse) über der Winkellage (X-Achse) der Kurbelwelle. Die Winkellage der Kurbelwelle ist in °KW (Grad-Kurbelwelle) angegeben. Gemäß 2 wird eine erste Einspritzmasse mKst1 während des Ansaugtakes eingespritzt. Der Ansaugtakt erstreckt sich vom oberen Totpunkt OT des Ladungswechsels bis zum unteren Totpunkt UT. Außerdem wird eine zweite Einspritzmasse mKst2 innerhalb desselben Arbeitsspiels im Kompressionstakt oder später eingespritzt. Der Kompressionstakt erstreckt sich vom unteren Totpunkt bis zum Zünd-OT. Bei dem Beispiel in 2 wird nicht die gesamte zweite Einspritzmasse mKst2 im Kompressionstakt vor Erreichen des Zünd-OT eingespritzt. Ein Teil der zweiten Einspritzmasse mKst2 wird noch nach Erreichen des Zünd-OT eingespritzt. Der Schwerpunkt der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse liegt aber zeitlich vor dem Erreichen des Zünd-OT. Alternativ könnte auch vorgesehen sein, dass die gesamte zweite Einspritzmasse mKst2 vor Erreichen des Zünd-OT eingespritzt wird.
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Die Zündung des Kraftstoff-Luftstoff-Gemisches erfolgt während oder nach der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse mKst2. In 2 liegt der Zündzeitpunkt ZZP nach dem Zünd-OT.
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Vorzugsweise wird die Lage der zweiten Einspritzmasse mKst2 in Abhängigkeit von dem Zündzeitpunkt ZZP eingestellt. Hierbei wird der Zündzeitpunkt ZZP insbesondere mittels einer Klopfregelung eingestellt. Das Ende 204 der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse mKst2 liegt beispielsweise einen bestimmten Winkelversatz Δp vor dem Zündzeitpunkt ZZP. Der Anfang 203 der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse mKst2 ist vorzugsweise wiederum vom Ende 204 der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse mKst2 abhängig. Bei Verschiebung des Endes 204 in Abhängigkeit des Zündzeitpunkts ZZP um einen bestimmten Winkel verschiebt sich vorzugsweise der Anfang 203 um den gleichen Winkel und die Dauer der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse mKst2 bleibt gleich.
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Beispielsweise liegt der Beginn 201 der Einspritzung der ersten Einspritzmasse mKst1 im Bereich von 310° KW bis 270° KW vor dem Zünd-OT. Das Ende 202 der Einspritzung der ersten Einspritzmasse mKst1 liegt beispielsweise im Bereich von 260° KW bis 220° KW vor dem Zünd-OT.
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Der Beginn 203 der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse mKst2 liegt beispielsweise im Bereich von 95° KW bis 55° KW vor dem Zünd-OT. Das Ende 204 der Einspritzung der zweiten Einspritzmasse mKst2 liegt beispielsweise im Bereich von 10° KW vor dem Zünd-OT bis 30° nach dem Zünd-OT.
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Vorzugsweise wird mit der ersten Einspritzmasse mKst1 so wenig Kraftstoff eingespritzt, dass nach dem Einspritzen der ersten Einspritzmasse mKst1 und vor dem Einspritzen der zweiten Einspritzmasse mKst2 ein mageres Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 vorliegt. Der Anteil der ersten Einspritzmasse mKst1 entspricht beispielsweise 10 - 30% an der während des gesamten Arbeitsspiels angespritzten Gesamteinspritzmasse und der Anteil der zweiten Einspritzmasse mKst2 entspricht beispielsweise 70 - 90% an der Gesamteinspritzmasse.
