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Die Erfindung betrifft die Steuerung eines Einspritzzeitpunkts von Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung des Einspritzzeitpunkts zur Minimierung einer Partikelemission des Verbrennungsmotors, sowie ein Computerprogrammprodukt und eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor, insbesondere vom Hubkolbentyp, als Antriebsmotor. Im Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff verbrannt, dessen Verbrennungsrückstände in eine Umwelt ausgestoßen werden. Um eine Umweltbelastung möglichst gering zu halten, ist man bemüht, sowohl eine Partikelmasse als auch eine Partikelanzahl unter vorbestimmten Schwellenwerten zu halten. Dazu existieren gesetzliche Regelungen, die in unterschiedlichen Ländern voneinander abweichen können.
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Zur Minimierung der Partikelemissionen werden üblicherweise Steuerzeiten eines Einlass- oder Auslassventils, ein Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor, ein Einspritzdruck oder ein Zündzeitpunkt in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors variiert. Ziel der Variationen kann insbesondere sein, zu verhindern, dass unverbrannter oder teilverbrannter Kraftstoff ein Bauteil im Brennraum des Verbrennungsmotors benetzt. Tritt eine Benetzung ein, so kann die Verbrennung des Kraftstoffs nicht vollständig erfolgen, wodurch eine Emission des Verbrennungsmotors ansteigen kann. Zusätzlich kann der auf dem Bauteil niedergeschlagene Kraftstoff während folgender Verbrennvorgänge verbrannt werden, wobei erneut bzw. verlängert eine erhöhte Emission von Schadstoffen auftreten kann.
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Aus der
DE 103 60 644 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit äußerer Gemischbildung bekannt, bei dem die Kraftstoffeinspritzung in mindestens zwei Teilmengen derart vorgenommen wird, dass eine Aufteilung der ersten und der zweiten Kraftstoffteilmenge in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und/oder einer Referenztemperatur des Einlasskanals stattfindet. Dabei werden ein Mengenverhältnis zwischen erster Kraftstoffmenge und zweiter Kraftstoffmenge und/oder die Einspritzzeitpunkte der ersten sowie der zweiten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von einer Verbrennungszyklenanzahl nach einem Motorstart eingestellt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einspritzzeitpunkt für Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor verbessert zu bestimmen, um eine Emission des Verbrennungsmotors möglichst gering zu halten. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Verfahrens, eines Computerprogrammprodukts und einer Steuereinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Verbrennungsmotor umfasst eine Kurbelwelle und eine Nockenwelle zur Betätigung eines Gaswechselventils. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines Einspritzzeitpunkts für Kraftstoff in den Verbrennungsmotor umfasst Schritte des Bestimmens des Einspritzzeitpunkts auf der Basis einer Luftmasse, die in den Verbrennungsmotor einströmt, und einer Drehzahl der Kurbelwelle, ferner des Bestimmens, dass die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verdreht wird und des Bestimmens des Einspritzzeitpunkts zusätzlich auf der Basis der Verdrehung.
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Die Nockenwelle kann beispielsweise verdreht werden, wenn der Verbrennungsmotor aus einem ersten in einen zweiten Verbrennungszustand überführt werden soll. Ein Aktuator zur Verdrehung der Nockenwelle ist üblicherweise relativ langsam, sodass seine Stellzeit nicht vernachlässigt werden kann. Andere Aktuatoren zur Beeinflussung des Verbrennungszustands des Verbrennungsmotors können hingegen schneller betätigt werden. Beispielsweise können der Einspritzzeitpunkt, ein Einspritzdruck oder ein Zündzeitpunkt üblicherweise schneller verändert werden als die Kurbelwelle für eine volle Umdrehung braucht. Die Verstellung der Nockenwelle kann jedoch Zeiten im Bereich von einer Sekunde oder mehr erfordern. Durch die erfindungsgemäße Anpassung des Einspritzzeitpunkts an die Verdrehung der Nockenwelle während des Übergangs zwischen unterschiedlichen Verdrehpositionen kann die dynamische Emissionsentwicklung des Verbrennungsmotors wirksam reduziert werden. Eine Gesamtemission des Verbrennungsmotors, beispielsweise während eines genormten Verbrauchszyklus, der einem gesetzlichen Schwellenwert zugeordnet ist, kann so verringert sein. Ein Kraftfahrzeug, das durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, kann so eine Umwelt weniger belasten.
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In einer ersten Variante wird die Verdrehung der Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle mittels eines Vergleichs von absoluten Drehpositionen der Nockenwelle und der Kurbelwelle bestimmt.
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Eine Drehposition der Kurbelwelle ist üblicherweise bekannt, da sie zur Bestimmung des korrekten Zündzeitpunkts ermittelt werden muss. An der Nockenwelle kann beispielsweise ein absoluter Drehwinkelsensor vorgesehen sein, der einfach und kostengünstig implementierbar sein kann. Durch den Vergleich der beiden absoluten Drehwinkel kann die Verdrehung einfach und sicher bestimmbar sein.
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In einer anderen Variante kann die Verdrehung der Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle mittels eines Sensors unmittelbar bestimmt werden. Beispielsweise kann ein Verdrehsensor an der Nockenwelle angebracht sein. In einer Ausführungsform ist ein Aktuator zur Verdrehung der Nockenwelle vorgesehen und der Sensor zur Bestimmung der Verdrehung der Kurbelwelle kann mit dem Aktuator integriert ausgeführt sein.
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Der Umstand, dass die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verdreht wird, kann danach bestimmt werden, dass eine Verdrehgeschwindigkeit der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Durch Wahl eines passenden Schwellenwerts kann vorteilhafterweise bestimmt werden, wie rasch die Verdrehung erfolgen muss, um die Bestimmung des Einspritzzeitpunkts von der Verdrehung abhängig zu machen. In einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich oder alternativ die Verdrehung der Nockenwelle bestimmt werden, wenn die Verdrehung länger als einen vorbestimmten Zeitraum anhält.
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In noch einer weiteren Ausführungsform wird der Einspritzzeitpunkt während des Verdrehens zusätzlich auf der Basis einer Verdrehgeschwindigkeit der Nockenwelle bestimmt. Beispielsweise kann der Einspritzzeitpunkt umso deutlicher verstellt werden, je schneller die Verdrehung der Nockenwelle erfolgt. Wird die Nockenwelle nur langsam gegenüber der Kurbelwelle verdreht, so kann eine nur geringe Beeinflussung des Einspritzzeitpunkts gegenüber seiner klassischen Bestimmung auf der Basis der Luftmasse und der Kurbelwellendrehzahl erfolgen.
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Der Einfluss der zusätzlichen Bestimmung kann auf einen vorbestimmten Betrag begrenzt werden. So kann verhindert werden, dass dynamische Effekte zweiten Grades entstehen, wenn Übergänge zwischen Verbrennungszuständen erfolgen.
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In noch einer weiteren Ausführungsform werden ein erster Einspritzzeitpunkt auf der Basis der Luftmasse und der Kurbelwellendrehzahl und ein zweiter Einspritzzeitpunkt auf der Basis der Verdrehung bestimmt. Das Minimum der beiden Einspritzzeitpunkte, also der jeweils frühere Einspritzzeitpunkt, kann dann als Einspritzzeitpunkt bestimmt werden. In einer anderen Ausführungsform wird das Maximum der beiden Einspritzzeitpunkte, also der jeweils spätere Zeitpunkt, als Einspritzzeitpunkt bestimmt.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung zur Steuerung eines Einspritzzeitpunkts für Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor ist dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 einen Verbrennungsmotor mit Steuereinrichtung;
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2 Kenngrößen des Verbrennungsmotors von 1 während eines Anfahrvorgangs eines Kraftfahrzeugs und
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3 ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsmotors von 1 darstellt.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 100 mit einer Steuereinrichtung 105. Der Verbrennungsmotor 100 ist zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens eingerichtet. Der Verbrennungsmotor 100 ist exemplarischerweise vom Hubkolben-Typ mit vier Zylindern. Jeder Zylinder definiert einen Brennraum 110, in den über einen Ansaugtrakt 115 Luft und über einen Kraftstoffinjektor 120 Kraftstoff eingebracht wird. Kraftstoff und Luft werden im Brennraum 110 verbrannt und entstehende Gase werden über einen Abgastrakt 125 ausgestoßen. Die Masse der in den Verbrennungsmotor 100 einströmenden Luft wird üblicherweise mittels eines Luftmassenmessers 130 bestimmt. Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 110 wird üblicherweise mittels einer Zündkerze 135 in Gang gesetzt.
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Als Gaswechsel wird der Vorgang des Einströmens von Frischgas und des Ausstoßens von Abgas aus dem Brennraum 110 bezeichnet. Dabei wird der Fluss des Frischgases mittels eines Einlassventils 140 und der des Abgases mittels eines nicht dargestellten Auslassventils gesteuert. Das Einlassventil wird üblicherweise mittels einer Einlassnockenwelle 145 betätigt. Die Drehung der Einlassnockenwelle 145 ist üblicherweise fest gekoppelt an eine Drehung einer Kurbelwelle 150, die mittels eines Kolbens im Brennraum 110 durch die Verbrennung angetrieben wird. Eine Kopplung der Drehbewegungen der Kurbelwelle 150 und der Einlassnockenwelle 145 erfolgt üblicherweise mittels einer sogenannten Steuerkette oder eines Zahnriemens.
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Um Steuerzeiten des Gaswechsels zu verändern, kann die Einlassnockenwelle 145 mittels eines Aktuators 155 bezüglich der Kurbelwelle 150 verdreht werden. Da die Einlassnockenwelle 145 beträchtliche Kräfte übertragen muss, ist der Aktuator 155 üblicherweise ebenfalls hoch belastet. In einer Ausführungsform ist der Aktuator 155 daher als Hydraulikaktuator ausgeführt. In einer Ausführungsform ist ein Phasensensor 160 vorgesehen, um einen Verdrehwinkel der Einlassnockenwelle 145 bezüglich der Kurbelwelle 150 abzutasten. In einer anderen Ausführungsform ist ein Drehwinkelsensor 165 zur Bestimmung eines absoluten Drehwinkels der Einlassnockenwelle 145 vorgesehen. An der Kurbelwelle 150 ist üblicherweise ein Kurbelwinkelsensor 170 angebracht. Der Kurbelwinkelsensor 170 wird üblicherweise unter anderem zur Bestimmung des korrekten Zündzeitpunkts bestimmt, zu dem die Zündkerze 135 aktiviert wird.
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Die beschriebenen Elemente zur Steuerung des Gaswechsels auf der Einlassseite können in entsprechender Weise alternativ oder zusätzlich auf der Auslassseite vorgesehen sein.
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Die genannten Sensoren und Aktuatoren sind üblicherweise mit der Steuereinrichtung 105 verbunden, die bevorzugterweise auf der Basis eines programmierbaren Mikrocomputers implementiert ist. Die Steuereinrichtung 105 ist dazu eingerichtet, wenigstens einen Einspritzzeitpunkt, zu dem Kraftstoff mittels des Injektors 125 in den Brennraum 110 eingespritzt wird, zu bestimmen. Üblicherweise wird der Einspritzzeitpunkt auf der Basis der in den Verbrennungsmotor 100 einströmenden Luftmasse und der Drehzahl der Kurbelwelle 150 bestimmt. Wird der Verbrennungsmotor 100 jedoch von einem ersten in einen zweiten Verbrennungszustand überführt, wobei die Einlassnockenwelle 145 bezüglich der Kurbelwelle 150 mittels des Aktuators 155 verdreht wird, so wird vorgeschlagen, den Einspritzzeitpunkt während des Verdrehens zusätzlich auf der Basis der Verdrehung zu bestimmen.
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2 zeigt Kenngrößen des Verbrennungsmotors 100 von 1 während eines Anfahrvorgangs eines durch den Verbrennungsmotor 100 antreibbaren Kraftfahrzeugs. In horizontaler Richtung ist eine Zeit angetragen, wobei die numerischen Angaben beispielhaft zu verstehen sind. In vertikaler Richtung sind qualitativ unterschiedliche Größen angetragen.
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Von oben nach unten sind eine Verdrehposition 205 der Einlassnockenwelle 145, eine Verdrehposition 210 einer Auslassnockenwelle des Verbrennungsmotors 100, ein Einspritzzeitpunkt 215, eine Geschwindigkeit 220 des Kraftfahrzeugs und eine Partikelemission 225 des Verbrennungsmotors 100 dargestellt. Die Verdrehpositionen 205 und 210 sowie der Einspritzzeitpunkt 215 sind relativ zu einer Drehposition der Kurbelwelle 150 angetragen. Der dargestellte Beschleunigungsvorgang ist Teil eines gesetzlich vorgeschriebenen Verbrauchszyklus zur vergleichenden Bestimmung von Kraftstoffaufnahme und Emission des Verbrennungsmotors 100.
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Das Beschleunigen des Kraftfahrzeugs umfasst vorliegend vier aufeinander folgende Beschleunigungsvorgänge, zwischen denen eine Gangstufe eines Getriebes jeweils gewechselt wird. Aufgrund des verwendeten Messaufbaus besteht eine Verzögerung zwischen den Verläufen 205 bis 215 und der Partikelemission 225 von ca. 19 s.
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Zum Zeitpunkt 712s wird die Einlassnockenwelle 145 exemplarisch um ca. 33° Richtung früh und die Auslassnockenwelle exemplarisch um ca. 11° in Richtung spät verstellt. Bis die Aktuatoren 155 ihre endgültige Stellposition erreicht haben, vergeht hier eine Verstellzeit von ca. 1,7 s. Zum Zeitpunkt 732s zeigt die Partikelemission 225 ein lokales Maximum, das darauf zurückzuführen ist, dass während des Verstellens des Aktuators 155 Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor 120 in Kontakt mit einer Oberfläche des Brennraums 110 gelangt ist. Dadurch wird der Kraftstoff so weit abgekühlt, dass er nicht im gleichen Verbrennungszyklus vollständig verbrennen kann. Eine direkte Benetzung liegt vor, wenn der unverbrannte Kraftstoff vor seiner Zündung durch die Zündkerze 135 auf ein Element des Brennraums 110 auftrifft. Eine indirekte Benetzung kann erfolgen, wenn sich das entzündete Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum 110 so bewegt, dass teilverbrannter Kraftstoff auf ein Element des Brennraums 110 trifft und dieses benetzt. Der Effekt der Benetzung hält üblicherweise über mehrere folgende Verbrennungsvorgänge an, weil das Element mit dem unverbrannten Kraftstoff relativ kühl ist, sodass die Verbrennung nur schleppend erfolgt. Die niedergeschlagenen Rückstände des Kraftstoffs können zudem eine Art Schwammwirkung zeigen, wobei ein nur teilweise verbranntes Kraftstoff-Luftgemisch von den Rückständen aufgenommen und gespeichert werden kann. Beide Effekte können dazu beitragen, dass die Partikelemission 225 ansteigt und über eine längere als die Verstellzeit des Aktuators 155 erhöht bleibt.
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Weitere lokale Maxima der Partikelemission 225 zu den Zeitpunkten 737s, 741s und 747s entstehen auf vergleichbare Weise während der Verstellung des Aktuators 155.
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3 zeigt ein Verfahren 300 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 100 von 1. In einem ersten Schritt 305 wird eine in den Brennraum 110 einströmende Luftmasse bestimmt. Die Bestimmung kann eine Vorhersage auf der Basis eines Messwerts des Luftmassenmessers 130 umfassen. In einem Schritt 310 wird die Drehzahl der Kurbelwelle 150 bestimmt. In einem Schritt 315 wird, vorzugsweise auf der Basis eines zweidimensionalen Kennfelds, der Einspritzzeitpunkt 215 auf der Basis der Luftmasse und der Kurbelwellendrehzahl bestimmt.
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In einem Schritt 320 wird die absolute Drehposition der Einlassnockenwelle 145, beispielsweise mittels des Drehwinkelsensors 165, bestimmt. Dieser Winkel kann mit einem Drehwinkel der Kurbelwelle 150, der beispielsweise mittels des Kurbelwinkelsensors 170 bestimmt wurde, verglichen werden, um eine Verdrehposition der Einlassnockenwelle 145 zu bestimmen. Optional kann in einem Schritt 325 die Verdrehung der Einlassnockenwelle 145 bezüglich der Kurbelwelle 150 bestimmt werden, beispielsweise mittels des Phasensensors 160. In einem folgenden Schritt 330 kann bestimmt werden, wie weit die Verdrehung der Einlassnockenwelle 145 von der beabsichtigten Verdrehung entfernt ist. Diese Bestimmung kann wieder mittels eines Kennfelds durchgeführt werden.
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In einem Schritt 335 kann optional die Verstellgeschwindigkeit der Verdrehung der Einlassnockenwelle 145 bestimmt werden. In einer Ausführungsform wird eine Verdrehung der Einlassnockenwelle 145 erst dann bestimmt, wenn der Betrag der Verdrehgeschwindigkeit einen vorbestimmten Schwellenwert überstiegen hat. Außerdem kann erforderlich sein, dass die Verdrehgeschwindigkeit über länger als einen vorbestimmten Zeitraum den vorbestimmten Schwellenwert betragsmäßig übersteigt. In einem Schritt 340 kann die bestimmte Verdrehgeschwindigkeit addiert werden, um eine gewünschte Dynamik zu erzeugen. Die Ergebnisse der Schritte 330 und 340 können dann in einem Schritt 345 miteinander multipliziert werden.
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Die bereitgestellten Signale können auf unterschiedliche Weisen weiterverarbeitet werden. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei Alternativen dargestellt, die mittels eines optionalen Schalters 350 ausgewählt werden können. In einer ersten Variante werden die Ausgangssignale der Schritte 315 und 345 miteinander addiert und in einem Schritt 355 als Signal für den Einspritzzeitpunkt bereitgestellt. In einer anderen Variante werden die Signale der Schritte 315 und 345 in einem Schritt 360 miteinander verglichen. In unterschiedlichen Ausführungsformen können das jeweils größere (spätere) oder das jeweils kleinere (frühere) Signal ausgewählt und im Schritt 355 als Einspritzzeitpunkt bereitgestellt werden. Mittels des Schalters 350 kann eine dynamische Umschaltung zwischen den beschriebenen Varianten erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verbrennungsmotor
- 105
- Steuereinrichtung
- 110
- Brennraum
- 115
- Ansaugtrakt
- 120
- Kraftstoffinjektor
- 125
- Abgastrakt
- 130
- Luftmassenmesser
- 135
- Zündkerze
- 140
- Einlassventil
- 145
- Einlassnockenwelle
- 150
- Kurbelwelle
- 155
- Aktuator
- 160
- Phasensensor
- 165
- Drehwinkelsensor
- 170
- Kurbelwinkelsensor
- 205
- Verdrehposition Einlassnockenwelle
- 210
- Verdrehposition Auslassnockenwelle
- 215
- Einspritzzeitpunkt
- 220
- Geschwindigkeit
- 225
- Partikelemission
- 300
- Verfahren
- 305
- Bestimmen Luftmasse
- 310
- Bestimmen Drehzahl Kurbelwelle
- 315
- Bestimmen Einspritzzeitpunkt
- 320
- Bestimmen Drehposition Nockenwelle
- 325
- Bestimmen Verdrehung Nockenwelle
- 330
- Bestimmen Abweichung
- 335
- Bestimmen Verdrehgeschwindigkeit
- 340
- Skalieren
- 345
- Multiplizieren
- 350
- Schalter
- 355
- Bereitstellen Einspritzzeitpunkt
