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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Brennkraftmaschinen, die auch als Verbrennungskraftmaschinen bezeichnet werden, sind Wärmekraftmaschinen, die über einen Verbrennungsvorgang chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie wandeln. Als Brennräume dienen Zylinder, in denen jeweils ein Kolben geführt ist. In Kraftfahrzeugen eingesetzte Brennkraftmaschinen werden auch als Verbrennungsmotoren bezeichnet.
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Zum Einlassen des zu zündenden Kraftstoff-Gas-Gemisches in die Zylinder werden Ventile verwendet. So werden bei Dieselmotoren Einlassventile eingesetzt, um reine Luft einzulassen. Der Kraftstoff wird durch Einspritzdüsen eingespritzt. Bei Gasmotoren wird ein zuvor verdichtetes Luft-Gas-Gemisch über Einlassventile in die Zylinder eingebracht. Zur Steuerung der Ventile ist ein Mechanismus vorgesehen, der als Ventilsteuerung oder Ventiltrieb bezeichnet wird. Durch Öffnen und Schließen der Ventile wird der Ladungswechsel des Verbrennungsmotors gesteuert. Dabei werden Ventile von einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle angetrieben wird, über einen Stößel geöffnet. Als Ladungswechsel wird dabei das Austauschen des im Zylinder enthaltenen Gemisches bezeichnet.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 015 503 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Einspritzverlaufs bekannt. Das beschriebene Verfahren dient dazu, den Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei dem Verfahren wird ein Brennstoff direkt in eine Brennkammer eingespritzt, wobei die Regelung eine Änderung des Einspritzverlaufs bewirkt. Die Regelung wird auf Basis eines Parameters durchgeführt, der mit einem Brennverlauf gekoppelt ist und während des ersten Arbeitszyklus ermittelt wird. So kann der Parameter bspw. aus dem Druckverlauf in der Brennkammer ermittelt werden.
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Die Druckschrift
WO 2008/135560 beschreibt ein Verfahren zur Zylindergleichstellung einer Brennkraftmaschine. Dabei werden zur Erreichung einer möglichst guten Laufruhe die einzelnen Zylinder hinsichtlich ihres Drehmomentbeitrags gleichgestellt. Hierzu wird ein Laufunruhesignal ausgewertet, wobei Kraftstoff in mindestens einer Einspritzung in einem Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird. In einer Nacheinspritzung wird Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders drehmomentneutral bezüglich der Auswertung des Laufunruhesignals eingespritzt, wobei die Nacheinspritzung so bemessen ist, dass das Abgas im wesentlichen einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffgemisch entspricht.
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Die Druckschrift
DE 100 06 341 C2 beschreibt ein Regelsystem für eine Brennkraftmaschine, bei der ein Spitzendruck in den Brennkammern mit zumindest einem Drucksensor gemessen wird. Über eine Veränderung des Einspritzbeginns wird der Spitzendruck in den Brennkammern geregelt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2011 011 337 B3 ist ein Verfahren zur Zylindergleichstellung einer Mehrzylinder-Verbrennungskraftmaschine bekannt. Bei der Verbrennungskraftmaschine sind eine zylinderindividuelle Luftmasse und ein zylinderindividueller Zündzeitpunkt einstellbar. Zur Gleichstellung der Zylinder werden die Verfahrensschritte Einspritzmengengleichstellung, Füllungsgleichstellung sowie Verbrennungsmitteldruckgleichstellung nacheinander durchgeführt. Zur Beurteilung der Gleichstellung wird im wesentlichen ein Zylindermitteldruck, verwendet.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine vorgestellt, wobei die Brennkraftmaschine eine Anzahl an Zylindern umfasst, bei denen jeweils über ein Einlassventil ein Gasgemisch für eine Verbrennung eingeleitet wird, wobei für jeden Zylinder mindestens zwei Regelgrößen, die in Zusammenhang mit einem Druck für diesen Zylinder stehen, ermittelt werden und anhand dieser mindestens zwei Regelgrößen wenigstens zwei Stellgrößen für eine Regelung der Verbrennung in diesem Zylinder bestimmt werden. Das Verfahren kommt bspw. bei einer Brennkraftmaschine mit variablem Ventiltrieb bzw. mit variabler Ventilsteuerung zur Anwendung. Diese Steuerung ermöglicht eine variable Öffnungszeit, einen variablen Ventilhub und eine variable Spreizung und reduziert durch die Beeinflussung der Ladungswechselarbeit, der Gemischaufbereitung und der Verbrennung den Kraftstoffverbrauch.
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Der Zylinderdruck ist der Druck im Inneren eines Zylinders, der durch eine Kolbenhub-Kompression und durch eine Verbrennung erzeugt wird. Bei dem Verfahren können nunmehr mehrere Regelgrößen verwendet werden, die in Zusammenhang mit diesem Druck, bspw. auch dem Maximaldruck, stehen.
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Es wurde erkannt, dass die Verbrennung in jedem Zylinder unterschiedlich abläuft, so dass eine zylinderindividuelle Regelung erforderlich ist, um eine Zylindergleichstellung zu erreichen. Es gibt grundsätzlich eine Anzahl von Stellmöglichkeiten, auch in Abhängigkeit der verwendeten Art der Brennkraftmaschine, wie bspw. der Zündzeitpunkt, der Einspritzzeitpunkt, der Einspritzverlauf und die Ventilsteuerzeiten. Bei dem vorgestellten Verfahren wird nun eine zylinderindividuelle Ansteuerung vorgenommen, mehrere Stellgrößen verwendet werden. In Ausgestaltung wird als eine Stellgröße eine Ventilsteuerzeit des Einlass- und/oder der Auslassventils verwendet.
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Es wird ein Zylinderdruckverlauf verwendet und ausgewertet, um die mindestens zwei Größen zu ermitteln. Der Zylinderdruckverlauf wird in Ausgestaltung gemessen oder mittels Modellbildung ermittelt bzw. geschätzt. Die Schätzung erfolgt anhand vorhandener Messdaten In Ausgestaltung kommt das Verfahren bei einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung zum Einsatz. Eine variable Ventilsteuerung bzw. ein variabler Ventiltrieb ermöglicht eine variable Öffnungszeit und Schließzeit und somit einen variablen Ventilhub und eine variable Spreizung und reduziert durch die Beeinflussung der Ladungswechselarbeit, der Gemischaufbereitung und der Verbrennung den Kraftstoffverbrauch. Mit einem solchen variablen Ventiltrieb kann die Last des Motors eingestellt werden.
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In einer Ausführung wird als eine der Regelgrößen der Wert des maximalen Zylinderdrucks verwendet. Es kann als weitere Regelgröße die Lage des maximalen Zylinderdrucks verwendet werden. Grundsätzlich kann auch ein Mitteldruck und die Lage eines Umsatzpunktes als Regelgrößen verwendet werden.
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Als Stellgröße kann ein Zündzeitpunkt verwendet werden. Als weitere Stellgröße kann eine Ventilsteuerzeit verwendet werden. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Wert des maximalen Zylinderdrucks geregelt wird und hierzu als erste Stellgröße die Ventilsteuerzeit, bspw. die Ventilöffnungs- und/oder -Schließzeit, verwendet wird. Zusätzlich wird als Regelgröße die Lage des maximalen Zylinderdrucks herangezogen, dann wird als zweite Stellgröße der Zündzeitpunkt verwendet.
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Es wird weiterhin eine Anordnung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgestellt, die insbesondere zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Dabei umfasst die Brennkraftmaschine eine Anzahl an Zylindern, bei denen jeweils über ein Einlassventil ein Gasgemisch für eine Verbrennung eingeleitet wird. Dabei ist mindestens eine Einheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, für jeden Zylinder mindestens zwei Regelgrößen, die in Zusammenhang mit einem Druck in diesem Zylinder stehen, zu ermitteln und anhand dieser mindestens zwei Regelgrößen wenigstens zwei Stellgrößen für eine Regelung der Verbrennung in diesem Zylinder zu bestimmen.
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Die Anordnung kann einen Regler, bspw. einen einschleifigen Regler, für die Regelung umfassen. Als Einheit, die dazu eingerichtet ist, für jeden Zylinder mindestens zwei Regelgrößen, die in Zusammenhang mit einem Druck in diesem Zylinder stehen, zu ermitteln und anhand dieser mindestens zwei Regelgrößen wenigstens zwei Stellgrößen für eine Regelung der Verbrennung in diesem Zylinder zu bestimmen, wird in Ausgestaltung ein Steuergerät, bspw. ein Motorsteuergerät, verwendet. Die genannten Funktionen können auch auf mehreren Steuergeräten. Recheneinheiten oder Prozessoren ausgeführt werden.
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Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Gleichstellung der Leistung bzw. Performance einzelner Zylinder, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit mehr als sechs Zylindern. Dies wird als Zylindergleichstellung bezeichnet. Dadurch kann die Leistung der gesamten Brennkraftmaschine gesteigert werden. Weiterhin ermöglicht das Verfahren, zumindest in einigen der Ausführungsformen, eine Einhaltung der Emissionsgrenzen, eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und eine Erhöhung der Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
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Das Verfahren wird bspw. bei Brennkraftmaschinen mit einer zylinderindividuellen Aktuierungsmöglichkeit, bspw. bei Motoren mit einem vollvariablen Ventiltriebsystem, eingesetzt. Dies wird somit durch Vorgabe von variablen Schließzeiten oder durch die variable bzw. zylinderindividuelle Gaszumischung je Zylinder erreicht.
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Es folgt in Ausgestaltung eine Regelung der Verbrennung unter Verwendung eines Zylinderdrucksignals, das im laufenden Betrieb, also in Echtzeit, ausgewertet werden kann und aus dem mindestens zwei Regelgrößen ermittelt werden, aus denen die Korrekturen für die Stellgrößen in einem zusätzlichen Regelkreis generiert werden.
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Das Verfahren kann auf Grundlage einer Zylinderdruckmessung, ggf. ergänzt durch weitere Messgrößen und Berechnungen, durchgeführt werden. Alternativ ist das Verfahren auch ohne Zylinderdruckmessung durchführbar. Dann können die regelungsrelevanten Verbrennungsgrößen aus den vorhandenen Messdaten ”rekonstruiert” oder geschätzt werden. So kann bspw. die Druckverteilung im Ansaugrohr und folglich der Ladedruck vor jedem Zylinder mit Hilfe eines bspw. eindimensionalen Modells bestimmt werden. Hierzu können die Informationen über die Schließzeiten des Einlassventils, z. B. aus einer Körperschallmessung, gemessenem Ladedruck vor dem Ansaugrohr und Temperaturen um das Saugrohr bzw. im Bereich des Saugrohrs verwendet werden.
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Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine geregelte Verbrennung, eine Gleichstellung der Zylinder, d. h. mehr Leistung bei weniger Verbrauch, ein Vermeiden von Klopfen, was sich vorteilhaft auf die Betriebsdauer auswirkt, eine Reduzierung der Emissionen und eine höhere Dynamik.
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Es kann eine optimale Regelung der Leistung durch Gleichstellung vorgenommen werden. Zudem kann eine zylinderindividuelle Regelung der Leistungskenngröße maximaler Zylinderdruck über die Stellgröße Einlassventilschließzeit ermöglicht werden. Eine Verbesserung der Verbrennung kann durch Hinzunahme einer weiteren Regelgröße, wie bspw. Verbrennungsschwerpunktlage oder Lage des Spitzendrucks, und durch Verwendung des Zündzeitpunkts als eine weitere Stellgröße erreicht werden. Es erfolgt eine sicherheitsrelevante Regelung, z. B. Klopfen, durch Verwendung der Kenngrößen aus der online-Zylinderdruckverlaufanalyse zur Klopferkennung und zur Antiklopfregelung.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einem Graphen unterschiedliche Betriebsbereiche.
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2 zeigt in zwei Diagrammen den Ablauf von Ausführungen des Verfahrens.
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3 zeigt in drei Graphen Verläufe zu Drücken.
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4 zeigt in einem Graphen maximale Zylinderdrücke.
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In 1 sind in einem Graphen unterschiedliche Betriebsbereiche verdeutlicht. Dabei ist an einer Abszisse 10 ein Luftverhältnis und an einer Ordinate 12 ein effektiver Mitteldruck aufgetragen. Eine Kurve 14 zeigt den λ-Verlauf. Eine erste gestrichelte Linie 16 verdeutlicht das mechanische Limit, eine zweite gestrichelte Linie 18 zeigt ein Luftverhältnis mit λ gleich 1.
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Als Betriebsbereiche sind ein Klopfbereich 20, ein Fehlzündungsbereich 22 und ein nutzbarer Betriebsbereich 24 eingetragen. Weiterhin ist ein Wunschbetriebspunkt 26 eingezeichnet. Der nutzbare Betriebsbereich 24 ist auf der rechten Seite noch einmal vergrößert dargestellt. Wiederum ist der Wunschbetriebspunkt 26 dargestellt. Punkte 30, 32, 34 zeigen bestimmte Zylinderdrücke, die, wie Pfeilen 36, 38 und 40 verdeutlicht, in Richtung des Wunschbetriebspunkts 26 geführt werden sollen.
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Die sich ergebende Streuung der Zylindermaximaldrücke ist bspw. bedingt durch Saugrohrschwingungen und Gasfadenbildung. Hieraus ergeben sich Wirkungsgradeinbußen und Laufruhestörungen. Durch eine mit dem vorgestellten Verfahren bewirkte Zylindergleichstellung mit einem variablen Ventiltriebsystem können die Streuungen beseitigt werden.
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2a zeigt schematisch eine Regelung der Verbrennung der gesamten Brennkraftmaschine mit allen Zylindern gemäß dem vorliegenden Verfahren. Die Darstellung zeigt einen Vollmotorregler 50. Reglereingangsgrößen 52 des Vollmotorreglers 50 sind die geforderten und die aktuellen Leistungs- und Drehzahlwerte, die sich aus einem Vergleich aus Führungsgrößen 54, nämlich Sollleistung und Solldrehzahl, mit zu regelnden Größen bzw. Regelgrößen 56, nämlich Istleistung und Istdrehzahl, ergeben. Das Regelungskonzept der Brennkraftmaschine sieht eine Möglichkeit zu einer zuschaltbaren zylinderindividuellen Regelung vor, auf die nachfolgend eingegangen wird.
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Hierzu zeigt die Darstellung eine Brennkraftmaschine 60. In dieser sind eine Reihe von Einzylindern bzw. Zylindern 62 vorgesehen, deren Leistungsvermögen u. a. von den Betriebsgrößen Ansaugdruck 64, Luftverhältnis λ 66 und Temperatur 68 vor dem jeweiligen Zylinder 62 beeinflusst wird. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Einzylinderregler 70 und eine Einheit für eine Druckverlaufsanalyse 72.
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Der Vollmotorregler 50 gibt als Größen eine Gasmischung 80, eine erste Stellgröße 82 und eine zweite Stellgröße 84, nämlich einen Zündzeitpunkt und einen Schließzeitpunkt bzw. Schließwinkel, aus. Der Wert für die Gasmischung 80 wird in den Motor eingegeben. Die Stellgrößen 82 und 84, nämlich Zündzeitpunkt und Schließwinkel, werden durch die Druckverlaufsanalyse 72 und den Einzylinderregler 70, in dem wiederum Führungsgrößen vorgegeben werden, modifiziert für jeden Zylinder bzw. Einzylinder 62 bereitgestellt. Für jeden Zylinder 62 wird dabei bei dieser Ausführung eine Größe 90, die in Zusammenhang mit dem Zylinderdruck steht, in die Druckverlaufsanalyse 72 eingegeben. In dieser werden Regelgrößen 92, 94, die in Zusammenhang mit einem Maximaldruck stehen, z. B. Wert des Maximaldrucks und die Lage des Maximaldrucks, in den Einzylinderregler 70 eingegeben. Dieser ermittelt zylinderindividuelle Anteile zu Stellgrößen 96 und 98 zu Schließwinkel und ggf. Zündzeitpunkt, die den Stellgrößen 82 und 84 aus dem Vollmotorregler 50 hinzugefügt werden. Daraus ergeben sich korrigierte Vorgaben 100 und 102 für die Steller einzelner Zylinder 62.
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Die zylinderindividuelle Regelung gestattet grundsätzlich die Verwendung unterschiedlicher Regelgrößen, die sich aus dem Zylinderdrucksignal ermitteln lassen: Spitzendruck, Lage des Spitzendrucks, indizierter Mitteldruck, Umsatzpunkte 10, 50, 75 bzw. 90%
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Die wesentlichen Kriterien für die Verwendung der Kenngrößen für die Regelung sind Regelaufwand, Linearität, d. h. eindeutiges Verhalten, und Signalqualität.
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Bei dem vorgestellten Verfahren werden in Ausführung die Größen maximaler Zylinderdruck und die Lage des maximalen Zylinderdrucks alternativ oder ergänzend als Regelgrößen zur Regelung des einzelnen Zylinders verwendet. Dies wird für jeden Zylinder gesondert durchgeführt. Diese Einzylinderregelung kann innerhalb einer übergeordneten Vollmotorregelung erfolgen.
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2b zeigt eine Regelung gemäß einem alternativen Verfahren. Bei dieser wird ein Schätzer 200 mit einem Modell 202 verwendet, um die Regelgrößen 92 und 94 zu ermitteln. Mittels einer integrierten intelligenten Brennraumdruckregelung 204, bei der ebenfalls Führungsgrößen vorgegeben werden, die vom Betriebspunkt abhängig sein können, werden dann die zylinderindividuellen Anteile 96 und 98 ermittelt.
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Das Modell 202 nutzt als Eingangsgrößen den Ansaugdruck 250, den λ-Wert 252, die Temperatur 254 im Ansaugtrakt, die Gasmischung 256, den Zündzeitpunkt 258 und den Schließwinkel 260 zur Abschätzung des Zylinderdrucks. Diese Eingangsgrößen stellen u. a. Standardmessgrößen dar.
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3 zeigt die Verläufe des maximalen Zylinderdrucks im Graphen 110, der Lage des maximalen Zylinderdrucks im Graphen 120 und des 50% Umsatzpunktes PHI50 im Graphen 130. Die Punkte repräsentieren die Kenngrößen in jedem Arbeitsspiel. In dem Bereich ab der gestrichelten Linie 136 setzt das Motorklopfen an, was anhand der Kenngrößen-Verläufe erkennbar ist.
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In 4 sind in einem Graphen maximale Zylinderdrücke je Arbeitsspiel aufgetragen, und zwar für einen ersten Zylinder 1, einen zweiten Zylinder 2, einen dritten Zylinder 3, einen vierten Zylinder 4, einen fünften Zylinder 5, einen sechsten Zylinder 6, einen siebten Zylinder 7, einen achten Zylinder 8 und einen neunten Zylinder 9. Dabei ist an einer Abszisse 140 die Zeit [s] und an einer Ordinate 142 der Druck [bar] aufgetragen.
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Ein erster Doppelpfeil 144 verdeutlicht die Verteilung der Drücke ohne Zylindergleichstellung, die bei über 50 bar liegt. Weiterhin ist in dem Graphen der Verlauf der maximalen Zylinderdrücke nach Gleichstellung gemäß dem vorgestellten Verfahren dargestellt und mit Bezugsziffer 150 bezeichnet. Ein zweiter Doppelpfeil 146 verdeutlicht die Streuung, die bei etwa 15 bar liegt. Somit kann mit dem beschriebenen Verfahren eine erhebliche Reduzierung der Streuung der maximalen Zylinderdrücke erreicht werden. Dies ist ein Hinweis auf die erfolgte Gleichstellung der Zylinder.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006015503 A1 [0004]
- WO 2008/135560 [0005]
- DE 10006341 C2 [0006]
- DE 102011011337 B3 [0007]
