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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung, die in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors Wasser einbringt.
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Aus der
DE 31 42 729 A1 ist bereits ein Verfahren zur Einspritzung von Wasser in einen Brennraum in Abhängigkeit von Signalen eines Klopfsensors bekannt. Beim Auftreten von Klopfen wird Wasser in den Brennraum eingespritzt, um eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu verringern. Die Signale des Klopfsensors werden dazu hinsichtlich des Auftretens von Klopfen in dem Verbrennungsmotor ausgewertet.
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Vorteile der Erfindung
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Diagnose einer Wassereinspritzung in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors haben demgegenüber den Vorteil, dass die Signale des Klopfsensors nicht nur hinsichtlich des Auftretens von Klopfen in dem Verbrennungsmotor auswertet werden sondern auch für eine Diagnose der Wassereinspritzung verwendet werden. Dazu werden die Signale des Klopfsensors dahingehend ausgewertet, ob zu erkennen ist, ob das Wassereinspritzventil der Wassereinspritzung betätigt wurde. Es wird so eine Diagnose der Wassereinspritzung gewährleistet, ohne dass ein weiterer Sensor zur Verfügung gestellt werden muss. Es erfolgt so besonders einfach und kostengünstig eine zuverlässige Diagnose der Wassereinspritzung.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach erfolgt die Diagnose, in dem in einem Zeitfenster Geräusche, die aufgrund einer Betätigung des Wassereinspritzventils zu erwarten ist, ausgewertet werden. Durch die Verwendung eines Zeitfensters, in dem ein Geräusch durch die Betätigung der Wassereinspritzventile entsteht, kann eine hochgenaue und störungsarme Auswertung erfolgen. Die von dem Wassereinspritzventil bei einer Betätigung verursachten Geräusche weisen weiterhin Signalanteile mit charakteristischen Frequenzen auf. Durch eine Auswertung nur der Geräusche in einem bestimmten Frequenzbereich, der an die Geräusche bei der Betätigung der Wassereinspritzventile angepasst sind, kann somit die Qualität der Auswertung verbessert werden. Sowohl das Zeitfenster, wie auch der Frequenzbereich können an die jeweilige Betätigung des Wassereinspritzventils angepasst werden. Insbesondere können ein unterschiedliches Zeitfenster und unterschiedliche Frequenzbereiche für ein Öffnen oder Schließen des Wassereinspritzventils vorgesehen werden. Wenn keine Betätigung des Wassereinspritzventils festgestellt wird, so wird die Wassereinspritzung als fehlerhaft diagnostiziert und es werden entsprechende Gegenmaßnahmen oder Ersatzmaßnahmen eingeleitet. Insbesondere kann vorgesehen werden, die Klopfneigung des Motors durch andere Maßnahmen notfalls durch eine Leistungsreduzierung zu verringern, da die klopfverringernde Wassereinspritzung wegfällt. Wenn die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Zylindern aufweist, so kann das Verfahren zur Diagnose der Wassereinspritzung für jeden Zylinder, dem ein Wassereinspritzventil zugeordnet ist, durchgeführt werden. Es kann so bei einer Mehrzylindermaschine der Ausfall der Wassereinspritzung auch nur für einzelne Zylinder festgestellt werden und es können dann auch nur für diesen fehlerbehafteten Zylinder Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
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Beschreibung
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In der 1 wird schematisch ein Motor, d.h., ein Verbrennungsmotor mit einem Zylinder 10 gezeigt. In dem Zylinder 10 wird durch einen Kolben 100 ein Brennraum 101 definiert. Dem Zylinder 10 bzw. dem Brennraum 101 wird durch ein Saugrohr 11 Luft für eine Verbrennung und durch einen Kraftstoffinjektor 13 Kraftstoff für eine Verbrennung im Zylinder 10 zugeführt. Die dabei entstehenden Abgase werden durch das Abgasrohr 12 von dem Zylinder 10 weggeführt. Es handelt sich hierbei um einen üblichen Otto-Motor oder Diesel-Motor, der in der 1 nur schematisch dargestellt ist. Insbesondere sind weitere Steuerungselemente wie Lufteinlass- und Abgasauslass-Ventile, Mittel zur Beeinflussung des Luftstroms durch das Saugrohr 11 (wie beispielsweise eine Drosselklappe), eine Zündkerze oder eine Glühkerze und andere Elemente üblicher Otto-Motoren und Diesel-Motoren nicht dargestellt, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung sind. Weiterhin wird in der 1 eine Wassereinspritzung in das Saugrohr 11 gezeigt. Die Wassereinspritzung besteht aus einem Wassertank 2, der durch eine Verbindungsleitung 5 mit einer elektrischen Pumpe 1 verbunden ist. Durch die Verbindungsleitung 5 kann Wasser aus dem Tank 2 zur elektrischen Pumpe 1 fließen beziehungsweise von der elektrische Pumpe 1 aus dem Tank heraus angesaugt werden. Die Seite der elektrischen Pumpe 1, die über die Verbindungsleitung 5 mit dem Wassertank 2 verbunden ist, wird im Folgenden Zulauf genannt. Weiterhin weist die elektrische Pumpe 1 einen Hochdruckausgang auf, der über die Verbindungsleitung 5 mit einem Wasserrail 3 verbunden ist. Bei dem Wasserrail 3 handelt es sich um einen Druckspeicher in dem Wasser mit einem von der elektrischen Pumpe erzeugten Druck gespeichert werden kann. Insbesondere bei der Einspritzung in das Saugrohr ist der Druck relativ gering, so dass das Wasserrail 3 auch als einfacher Schlauch oder als Schlauchverteiler ausgebildet sein kann. Das Wasserrail 3 ist dann über eine weitere Verbindungsleitung 5 mit einem Wasserinjektor 4 verbunden, der in das Saugrohr 11 mündet. Das Wasser in dem Tank 2 wird somit über den Zulauf der elektrischen Pumpe 1 zugeführt und am Hochdruckausgang der Pumpe 1 mit erhöhtem Druck zur Verfügung gestellt. Dieses Wasser wird dann im Wasserrail 3 zwischengespeichert bis es durch eine entsprechende Öffnung des Wasserinjektors 4 in das Saugrohr 11 eingespritzt wird.
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An dem Wasserrail 3 können auch eine Vielzahl von Wasserinjektoren 4 angeschlossen sein, die eine Mehrzahl von Zylindern 10 mit Wasser versorgt. Dies ist insbesondere bei Mehrzylindermotoren, wie sie heute bei Kraftfahrzeugen üblich sind, eine Ausgestaltung mit der jeder Zylinder individuell mit einer auf ihn abgestimmten Menge Wasser versorgt werden kann.
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Durch die Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 wird in dem Brennraum 101 des Zylinders 10, zusammen mit dem durch den Kraftstoffinjektor 13 eingespritzten Kraftstoff, eine Mischung von Luft, Kraftstoff und Wasser erzeugt. Durch eine entsprechende Zündung, entweder durch eine Zündkerze oder durch einen Selbstentzündungsprozess bei einem Diesel-Motor erfolgt dann eine Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches in dem Brennraum des Zylinders 10. Durch das in dieser Luft-Kraftstoffmischung enthaltene Wasser erfolgt eine effektive Kühlung des Brennraums 101 im Zylinder 10, wodurch die Verbrennungstemperatur verringert und bei der Anwendung im Ottomotor die Klopfneigung verringert wird. Hierdurch ist ein optimierter Zündzeitpunkt möglich, welcher sich positiv auf Effizienz bzw. Verbrauch des Ottomotors auswirkt. Bei Otto- und Dieselmotor kann weiterhin auch die Entstehung von schädlichen Abgasen verringert werden. Das Einbringen von Wasser in einen Brennraum ist daher eine Maßnahme, mit der die Qualität der Verbrennung im Brennraum eines Zylinders 10 positiv beeinflusst werden kann. Durch diese Maßnahme kann sowohl die Qualität des Abgases wie auch die thermische Belastung des Zylinders 10, die Leistung und auch der Kraftstoffbedarf positiv beeinflusst werden.
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In der 2 wird ebenfalls ein Motor mit einer Wassereinspritzung in den Brennraum eines Zylinders 10 gezeigt. Mit den Bezugszeichen 10, 11, 12, 13, 1, 2, 3, 4, 5, 100, 101 werden wieder die gleichen Gegenstände bezeichnet, wie in der 1. Im Unterschied zur 1 ist jedoch der Wasserinjektor 4 nicht so angeordnet, dass er im Saugrohr 11 mündet, sondern direkt im Brennraum 101 des Zylinders 10. Eine Einspritzung von Wasser unmittelbar in den Brennraum des Zylinders 10 erfordert deutlich höhere Drücke als eine Einspritzung in das Saugrohr. Für eine Einspritzung von Wasser in das Saugrohr 11 ist ein Wasserdruck von einigen wenigen bar ausreichend. Da die Einspritzung in den Brennraum des Zylinders 10 erfolgen kann, wenn bereits das Lufteinlassventil in Richtung des Saugrohrs 11 geschlossen ist und sich der Zylinder in einer Verdichtungsphase befindet, ist für die Einspritzung von Wasser in einen Brennraum ein deutlich höherer Druck bis zu einer Größenordnung von 200 bar erforderlich. In dem Wasserrail 3 muss daher Wasser mit einem deutlich höherem Druck gespeichert sein, um eine Einspritzung unmittelbar in den Brennraum des Zylinders 10 zu ermöglichen. Dazu ist der elektrischen Pumpe 1 eine Hochdruckpumpe 6 nachgeordnet. Der Zulauf der Hochdruckpumpe 6 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit dem Hochdruckausgang der elektrischen Pumpe 1 verbunden. Der Hochdruckausgang der Hochdruckpumpe 6 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit dem Wasserrail 3 verbunden. Es wird so eine Anordnung geschaffen, bei der ein ausreichend hoher Druck erzeugt wird, um eine Einspritzung von Wasser unmittelbar direkt in den Brennraum des Motors zu ermöglichen.
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In der 3 wird eine weitere Form eines Motors mit einem Wassereinspritzsystem gezeigt. Mit den Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5, 10, 11, 12, 13, 100, 101 werden wieder die gleichen Gegenstände bezeichnet wie in der 1. Weiterhin wird in der 3 noch das Kraftstoffversorgungssystem gezeigt mit einem Kraftstofftank 14, der durch eine Verbindungsleitung 5 mit einer Vorpumpe 15 verbunden ist. Die Vorpumpe 15 ist über eine Verbindungsleitung 5 mit einer Hochdruckpumpe 6 verbunden. Die Hochdruckpumpe 6 ist dann durch eine Verbindungsleitung 5 mit dem Rail 3 verbunden. Die Hochdruckpumpe 6 weist hier zwei Zulaufanschlüsse auf, wobei der eine Zulaufanschluss mit der elektrischen Pumpe 1, durch die Wasser gepumpt wird, verbunden ist, und der andere Zulauf der Hochdruckpumpe 6 mit der Kraftstoffvorpumpe 15 verbunden ist. Die Hochdruckpumpe 6 pumpt beide Medien und stellt an ihrem Hochdruckausgang eine Emulsion der beiden Flüssigkeiten mit einem für die Einspritzung unmittelbar in den Brennraum geeigneten Druck zur Verfügung. Da sich Kraftstoff und Wasser i.d.R. nicht mischen, ist dem Wasser ein Emulgator zugegeben, so dass es durch die Vermischung von Wasser und Kraftstoff zur Ausbildung einer Emulsion von Kraftstoff und Wasser kommt. Diese Emulsion wird dann in dem Rail 3 mit einem entsprechend hohen Druck gespeichert und durch den Injektor 4 unmittelbar in den Brennraum 101 des Zylinders 10 eingespritzt.
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Weitere Variationen von Verbrennungsmotoren mit einer Wassereinspritzung sind ebenfalls möglich und ergeben sich durch Abwandlungen der in den 1–3 gezeigten Motoren. Beispielsweise kann die Kraftstoffeinspritzung auch in das Saugrohr mit einer Wassereinspritzung ebenfalls in Saugrohr oder aber in den Zylinder direkt erfolgen. Als weitere Variante kann eine doppelte Kraftstoffeinspritzung sowohl in Saugrohr wie auch Zylinder verwendet werden. Bei Mehrzylindermotoren können nur einzelne Zylinder, insbesondere thermisch hoch belastete Zylinder, für eine Wassereinspritzung vorgesehen sein.
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In den 1 bis 3 werden noch ein Klopfsensor 30 und eine Auswerteeinheit 31 gezeigt. Der Klopfsensor 30 ist auf der Außenseite des Zylinders 10 angebracht, so dass Körperschallsignale, die von Verbrennungen in dem Brennraum 101 ausgelöst werden, mechanisch in den Klopfsensor 30 einkoppeln. Im Klopfsensor 30 werden dann diese Geräusche bzw. Vibrationen in elektrische Signale umgewandelt, die über eine elektrische Verbindungsleitung an die Auswerteeinheit 31 gegeben werden. In der Auswerteeinheit 31 erfolgt dann eine Auswertung der Signale des Klopfsensors. Typischer Weise ist der Klopfsensor 30 als piezoelektrischer Sensor ausgebildet. Durch die Vibrationen bzw. den Körperschall des Zylinders 10 werden in dem piezoelektrischen Material des Klopfsensors 30 elektrische Spannungen erzeugt, die dann von der Auswerteeinheit 31 ausgewertet werden. In der 4 werden die einzelnen Verarbeitungsschritte in der Auswerteeinheit 31 dargestellt.
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Für die Beschreibung der 4 gehen wir zunächst von einer rein digitalen Verarbeitung der Signale in der Auswerteeinheit 31 aus. Dazu werden die Spannungssignale des Klopfsensors 30 in einem ersten Verarbeitungsschritt 51 analog digital gewandelt und in einen Speicher der Auswerteeinheit 31 abgelegt. Im ersten Schritt 51 erfolgt somit eine Erfassung der Signale des Klopfsensors 30, die dann in nachfolgenden Schritten weiterverarbeitet wird. Im Schritt 52 erfolgt eine zeitliche Filterung, d. h. von gesamten empfangenen Klopfsignalen wird nur ein kleiner zeitlicher Teil für die weitere Analyse herangezogen. Dazu empfängt die Auswerteeinheit 31 noch Informationen, wann denn das Wassereinspritzventil 4 betätigt wurde. Insbesondere erhält die Auswerteeinheit 31 eine Information dazu, wann das Wassereinspritzventil geöffnet wurde und wann das Wassereinspritzventil 4 geschlossen wurde. Bei einem Öffnen wird ein bewegliches Bauteil des Wassereinspritzventils, insbesondere eine Ventilnadel durch einen Aktuator bewegt, wobei die Größe der Auslenkung dieses betätigten Ventils durch einen Anschlag begrenzt wird. Wenn das bewegliche Teil des Wassereinspritzventils 4 gegen diesen Anschlag schlägt, so entsteht ein Geräusch, welches entsprechend durch den Klopfsensor 30 festgestellt werden kann. Ebenso entsteht beim Schließen des Ventils ein Geräusch, da das bewegliche Teil des Wassereinspritzventils 4, insbesondere eine Ventilnadel gegen einen Ventilsitz schlägt und so ein Schließen des Wassereinspritzventils 4 bewirkt. Dieses Schlagen gegen einen Ventilsitz erzeugt ebenfalls ein Geräusch. Wenn die Zeitpunkte der Betätigung des Ventils, insbesondere der Zeitpunkt, wann das Ventil 4 aufgesteuert wird und der Zeitpunkt, wann das Ventil 4 geschlossen wird, bekannt sind, muss nur ein vordefinierter Zeitbereich nach dem Befehl zum Öffnen und dem Befehl zum Schließen des Wassereinspritzventils 4 untersucht werden. Die vordefinierten Zeiten werden dabei jeweils durch eine Messung an dem Wassereinspritzventil 4 bestimmt. Weiterhin ergibt sich durch den mechanischen Aufbau des Wassereinspritzventils 4 ein Geräusch mit einer charakteristischen Frequenz für das Öffnen bzw. das Schließen des Wasserventils. Nach der zeitlichen Filterung im Schritt 52 erfolgt dann eine Frequenzfilterung im Schritt 53, d.h. durch eine digitale Frequenzfilterung werden die für das Öffnen und Schließen charakteristischen Geräuschsignale herausgefiltert.
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Als Ergebnis dieser zeitlichen Filterung im Schritt 52 und der Frequenzfilterung im Schritt 53 ist so ein Geräuschsignal ermittelt worden, welches charakteristische Unterschiede aufweist, je nachdem, ob das Ventil erfolgreich betätigt wurde oder nicht. Dieses Signal erlaubt somit eine eindeutige Feststellung, ob das mechanische Bauteil im Inneren des Ventils tatsächlich bewegt wurde oder nicht. Es kann daher für eine Diagnose der erfolgreichen Betätigung des Wassereinspritzventils 4 verwendet werden.
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Bezüglich der Schritte 52 und 53 ist festzuhalten, dass die Abfolge dieser Schritte auch vertauscht werden können oder beide Schritte zugleich in einem Schritt erfolgen können. Wesentlich ist eigentlich nur, dass ein relevanter Zeitbereich und ein relevanter Frequenzbereich ausgewertet werden.
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Die Auswertung des so zeitlich und frequenzmäßig gefilterten Signals erfolgt dann im Schritt 54. Besonders einfach erfolgt die Auswertung, in dem einfach die Höhe des Signals mit einem Absolutwert verglichen wird. Ein derartiger Absolutwert kann beispielsweise bei der Applikation des Wassereinspritzventils, d. h. der Anpassung des Wassereinspritzventils an die Brennkraftmaschine erfolgen. Ein entsprechender absoluter Vergleichswert ist dann in der Auswerteeinheit 31 gespeichert. Wenn das Geräuschsignal den absoluten Vergleichswert überschreitet, wird eine erfolgreiche Betätigung des Wassereinspritzventils 4 festgestellt. Wenn das Geräuschsignal unter dem absoluten Vergleichswert bleibt, so wird davon ausgegangen, dass das Wassereinspritzventil 4 nicht betätigt wurde, d. h. dass das Wassereinspritzventil 4 fehlerhaft ist.
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Auf den Schritt 54 folgt dann der Schritt 55 sofern ein fehlerhaftes Wassereinspritzventil 4 festgestellt wurde. Zum Schutz des Verbrennungsmotors müssen bei einer fehlerhaften Wassereinspritzung Schutzmaßnahmen ergriffen werden, da bei fehlerhafter Wassereinspritzung die Klopfneigung des Verbrennungsmotors erhöht ist und daher die Gefahr einer Schädigung des Verbrennungsmotors besteht. Eine derartige Maßnahme kann beispielsweise in einer Leistungsreduktion oder aber im Verstellen eines Zündwinkels bestehen.
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Die Auswertung in der Auswerteeinheit 31 kann auch durch analoge Bauelemente realisiert werden. Das Sensorsignal des Klopfsensors 30 würde dann nur in einem kurzen Zeitbereich nach der Betätigung, d. h. entweder einem Öffnen oder einem Schließen des Wassereinspritzventils 4 ausgewertet werden. Das so nur für einen kurzen Zeitraum erfasste Signal des Klopfsensors würde anschließend durch einen Analogfilter hinsichtlich der Frequenz gefiltert und dann einem Vergleicher zugeführt, bei dem ein Vergleich mit einem Absolutwert erfolgt. In Abhängigkeit von einem Signal des Vergleichers würden dann Schutzmaßnahmen ergriffen oder nicht. Auch hier kann die zeitliche Filterung und die Frequenzfilterung vertauscht werden.
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Alternativ sind auch gemischte analoge und digitale Verarbeitungsmethoden möglich. Beispielsweise kann die zeitliche Filterung und die Frequenzfilterung durch Analogbauteile erfolgen und es erfolgt anschließend eine Analog-/Digitalwandlung und die eigentliche Diagnose dann durch ein digitales Bauelement.
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Neben einem unmittelbaren Vergleich des Geräuschsignals mit einem absoluten Vergleichswert können auch komplexere Auswertemethoden des Geräuschsignals erfolgen. Beispielsweise kann das Geräusch auf integriert werden und es wird dann die Höhe des so auf integrierten Geräusches beurteilt. Weiterhin kann auch ein gleitender Vergleichswert gebildet werden, der entweder von vorhergehenden Messungen an dem gleichen Wassereinspritzventil 4 abhängt. Weiterhin kann auch noch vorgesehen werden, dass der Vergleichswert von Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, wie beispielsweise der Drehzahl und Last abhängt.
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Bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern kann es so sein, dass trotzdem nur ein einzelner Klopfsensor 30 für alle Zylinder vorgesehen ist. Da die Verbrennungen in derartigen Mehrzylindermotoren zeitlich nacheinander erfolgen und somit auch die Betätigungen der einzelnen Wassereinspritzventile 4 zeitlich nacheinander erfolgen, können die Messungen an dem einzelnen Klopfsensor 30 den einzelnen Wassereinspritzventilen 4 zugeordnet werden. Es müssen dann jedoch für jedes Wassereinspritzventil einzeln angepasste Vorgaben hinsichtlich des Zeitverhaltens des Frequenzverhaltens und der Höhe der zu erwartenden Geräuschsignale verwendet werden. Dies liegt darin begründet, dass der Abstand zwischen den Wassereinspritzventilen und dem Klopfsensor 30 sich unterscheiden, was bei der Auswertung der Signale des Klopfsensors 30 entsprechend berücksichtigt werden muss.
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Weiterhin ist noch zu berücksichtigen, dass in den Ausführungsbeispielen nach der 2 und 3 das Wassereinspritzventil 4 unmittelbar im Zylinder 10 verbaut ist. Bei diesen Ausführungsformen wird ein Geräuschsignal des Wassereinspritzventils 4 sehr gut zum Klopfsensor 30 übertragen, so dass hier eine einfache Messung des Geräuschsignals gegeben ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der 1 ist das Wassereinspritzventil 4 im Saugrohr 11 eingebaut, d. h. relativ weit vom Klopfsensor 30 entfernt. Das Geräuschsignal wird daher am Klopfsensor 30 nur sehr gering sein, was die Auswertung erschwert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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