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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum anlasserlosen Starten eines Verbrennungsmotors sowie ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und ein elektronisches Steuergerät, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind.
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Stand der Technik
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Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren erfolgt der Start des Motors in der Regel über einen Ritzelstarter, der dem Verbrennungsmotor von außen ein Drehmoment aufprägt und auf eine gewisse Startdrehzahl schleppt, bevor der Verbrennungsmotor über die Verbrennung in den Zylindern den weiteren Betrieb übernehmen kann.
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Als Alternative zum konventionellen Start eines Verbrennungsmotors ist der Direktstart bekannt, bei dem der Verbrennungsmotor ohne äußeres Startmoment zu laufen beginnt. Bei einem Direktstart wird das von außen aufgeprägte Drehmoment reduziert und gegebenenfalls eliminiert, sodass unter Umständen beispielsweise auf einen elektrischen Anlasser verzichtet werden kann. Der Motorstart kann hierbei durch eine gezielte Einspritzung in denjenigen Zylinder erfolgen, der im komprimierten Arbeitstakt steht, idealerweise kurz nach dem oberen Totpunkt nach der Verdichtung. Bereits im Auslauf oder erst im Stillstand kann bereits eine gewisse Kraftstoffmenge in den geeigneten Zylinder (Startzylinder), der beim Wiederstart als erstes befeuert werden soll, eingebracht und dann für den Direktstart gezündet werden. Durch den Druckanstieg in diesem Zylinder wird der Kolben nach unten bewegt und der Motor beginnt sich zu drehen, so dass der Motorhochlauf gegebenenfalls ohne externe Unterstützung erfolgen kann. Problematisch bei einem Direktstart ist, dass das bei der ersten Verbrennung freigesetzte Moment ausreichend sein muss, um die Kompressionsphase des nachfolgenden Zylinders (Folgezylinder) zu überwinden.
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Es sind bereits verschiedene Ansätze bekannt, um den Direktstart zu verbessern. Die Offenlegungsschrift
DE 102 55 149 A1 beschriebt beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem zur Verbesserung eines Direktstarts die Brennkraftmaschine am Ende eines vorangehenden Betriebes kontrolliert abgestellt wird, sodass sich ein Zylinder bzw. der Kolben des Zylinders in einer vorbestimmten, für den Direktstart optimalen Position befindet.
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Ein anderer Ansatz zur Optimierung des Direktstartes ist der sogenannte Dekompressionsstart, wobei die Folgezylinder dekomprimiert werden, um den Widerstand gegen die Rotation der Kurbelwelle zu verringern und somit das Starten des Motors zu vereinfachen. Hierfür können beispielsweise die Einlassventilsteuerzeiten so verändert werden, dass ein sehr spätes Schließen der Einlassventile realisiert wird, sodass ein Teil der Luftmasse in den Folgezylindern auch durch die Einlassventile wieder ausgetrieben werden kann. Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 006 288 A1 beschreibt ein Verfahren zum anlasserlosen Starten eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Teil der Zylinder des Verbrennungsmotors während eines Kompressionstaktes dekomprimierbar sind. Die Dekompression in den Zylindern wird durch Öffnen von mindestens einem der Einlass- und Auslassventile des Zylinders erreicht, sodass ein Gegenmoment, das gegen die Rotation der Kurbelwelle wirkt, verringert wird. Ein solcher Dekompressionsstart hat den Vorteil, dass durch die Dekompression in dem/n Folgezylinder(n) die aufzubringende Kompressionsarbeit verringert wird, um den Motor während des Startvorgangs nicht so stark abzubremsen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein anlasserloses Starten des Motors mit einer Mehrzahl von Zylindern erheblich verbessert werden, indem wenigstens der Zylinder (Startzylinder), der während des Startens als erstes befeuert wird, gekühlt wird. Hierdurch kann die Energieausbeute bei der Befeuerung des ersten Zylinders erheblich erhöht werden, sodass dadurch die Motordrehzahl schneller ansteigt und damit der Direktstart reibungsloser ablaufen kann. Gegebenenfalls kann auch eine Kühlung der Folgezylinder vorgesehen sein, um den Direktstart noch weiter zu optimieren. Der Erfindung liegt zugrunde, dass durch eine Absenkung der Temperatur im Startzylinder (und gegebenenfalls den Folgezylindern) bzw. durch eine Absenkung der Temperatur des Kraftstoffgemischs im Zylinder, die Luftmasse in diesem Zylinder erhöht wird und dadurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei insbesondere im Hinblick auf einen Dekompressionsstart besonders vorteilhaft. Wenn der Startzylinder gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gekühlt wird, kann der Dekompressionsstart deutlich schneller und zuverlässiger durchgeführt werden. Unter einem Dekompressionsstart ist ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors zu verstehen, bei dem in einem oder mehreren der Folgezylinder, die nach dem Startzylinder gezündet werden, die Zylinderfüllung dekomprimiert wird, die Füllung also reduziert wird, um dadurch den Widerstand gegen die Rotation der Kurbelwelle und dadurch die aufzubringende Kompressionskraft zu verringern.
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Die vorteilhaften Effekte des erfindungsgemäßen Verfahrens basieren darauf, dass der Erfolg eines Direktstarts und insbesondere der Erfolg eines Dekompressionsstarts maßgeblich von der Energieausbeute des ersten befeuerten Zylinders abhängt. Nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors liegt in der Regel schon nach kurzer Zeit in allen Zylindern im Wesentlichen Umgebungsdruck vor, da in der Regel ein Druckausgleich über vorhandene Leckagestellen, z. B. über Kolbenringe, stattfindet. Nach der allgemeinen Gasgleichung: p·V = m·R·T mit den Größen
- p
- – Druck
- V
- – Volumen
- m
- – Masse
- R
- – allgemeine Gaskonstante
- T
- – Temperatur
hängt die Masse im Zylinder anschließend im Wesentlichen nur von der Temperatur der Zylinderladung ab. Durch die erfindungsgemäße Absenkung der Temperatur der Zylinderladung verringert sich damit die Masse der Zylinderfüllung, sodass sich die Energieausbeute erhöht.
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In der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wand des Startzylinders mit einem Kühlmittel, insbesondere mit Wasser, gekühlt. Vorzugsweise wird die Wand des Startzylinders bereits vor dem Starten und unmittelbar vor dem Starten gekühlt. Diese Kühlung kann in sehr vorteilhafter Weise mittels einer Kühlmittelpumpe (Wasserpumpe), insbesondere einer elektrischen Wasserpumpe, durchgeführt werden, die in heute üblichen Kraftfahrzeugen oftmals aus Kraftstoffverbrauchsgründen vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in sehr einfacher Weise realisiert werden, indem die Kühlmittelpumpe bei einem Motorstillstand für eine vorgebbare Zeitdauer aktiv ist und beispielsweise nach dem Stopp des Motors zumindest zeitweise läuft. Insbesondere kann die Kühlmittelpumpe beispielsweise einige Minuten, z. B. zwei Minuten, nach dem Motorauslauf noch nachlaufen und damit den Startzylinder kühlen. Nach dem Ablauf von beispielsweise zwei Minuten ist in der Regel nicht mehr damit zu rechnen, dass noch ein Direktstart, insbesondere ein Dekompressionsstart, erfolgen soll. Daher kann nach diesem Zeitraum die Kühlmittelpumpe abgestellt werden, um nicht unnötig Energie zu verbrauchen. Durch diese Maßnahme kann der Motor und vor allem der Startzylinder insbesondere unmittelbar vor dem Direktstart gekühlt werden. Durch die Kühlung der Brennraumwände der Zylinder und insbesondere des Startzylinders heizt sich die Zylinderladung weniger schnell auf. Die Masse im Zylinder steigt damit, sodass bei dem Direktstart mehr Kraftstoff in dem Startzylinder verbrannt wird. Dadurch steigt der Zylinderdruck, wodurch im Vergleich mit einem herkömmlichen Direktstart die verrichtete Arbeit erhöht wird. Hierbei gilt: W = ∫pdV mit den Größen
- W
- – verrichtete Arbeit
- p
- – Zylinderdruck
- V
- – Zylindervolumen
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Dies führt letztendlich zu einer Erhöhung der Motordrehzahl nach der Verbrennung im Startzylinder. Durch eine Kühlung der Folgezylinder kann auch die Energieausbeute bei der Befeuerung in den nachfolgenden Zylindern verbessert werden, sodass in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nicht nur der Startzylinder sondern auch die Folgezylinder gekühlt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlung des Startzylinders und gegebenenfalls der Folgezylinder durch eine Einspritzung von Wasser in den Startzylinder und gegebenenfalls in die Folgezylinder erfolgen. Es sind bereits Motoren mit Wassereinspritzung bekannt. Hierbei können im Prinzip zwei Möglichkeiten realisiert sein: Es kann ein Wasser-Kraftstoff-Gemisch (Emulsion) mittels einer Direkteinspritzung eingespritzt werden oder es ist ein zusätzliches Einspritzventil insbesondere im Saugrohr vor jedem Zylinder vorgesehen, das ausschließlich zur Wassereinspritzung vorgesehen wird. Wenn für die erfindungsgemäßen Zwecke Wasser in den Startzylinder eingespritzt wird, entweder direkt oder als Gemisch mit dem Kraftstoff, wird hierdurch dem Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Phasenübergangs des Wassers Enthalpie entzogen und somit die Temperatur abgesenkt. Auch die hierdurch erzeugte Abkühlung des Zylinders bzw. der Zylinderfüllung führt dazu, dass die Energieausbeute bei der Verbrennung im Startzylinder und gegebenenfalls den Folgezylindern erhöht und dadurch der Direktstart verbessert wird.
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In bevorzugter Weise kann die Menge des eingespritzten Wassers in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit der Umgebung und in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft des Verbrennungsmotors bestimmt werden. So lässt sich die maximale Wassermenge, die das Gemisch, also die Zylinderladung, aufnehmen kann, beispielsweise aus einem sogenannten Mollier-h,x-Diagramm oder einer entsprechenden Berechnung oder einem entsprechenden Kennfeld entnehmen, das bzw. die den Zusammenhang der Enthalpie und der Wasserbeladung eines Gemisches darstellt, sodass die Größen Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Enthalpie und Dichte unmittelbar abgelesen bzw. errechnet werden können.
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Zur weiteren Optimierung des Direktstartes kann es vorgesehen sein, dass eine Kühlung der Wand des Startzylinders (und gegebenenfalls der Folgezylinder) mit einem Kühlmittel und eine Kühlung des Zylinders durch Einspritzung von Wasser in den Zylinder miteinander kombiniert werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogramm, das zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, sowie ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsmäßen Verfahrens durchzuführen. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Computerprogramm bzw. als maschinenlesbares Speichermedium oder als elektronisches Steuergerät hat den besonderen Vorteil, dass auf diese Weise das erfindungsgemäße Verfahren auch ohne weiteres bei bestehenden Kraftfahrzeugen zur Verbesserung eines Direktstarts eingesetzt werden kann, sofern eine Kühlmöglichkeit für die Zylinder des Verbrennungsmotors und insbesondere für den Startzylinder gegeben sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1a/b Schematische Darstellungen der Motordrehzahl im Verlauf der Zeit (a) und des Zylinderdrucks in Bezug zur Kurbelwellenposition (b) als Vergleich zwischen einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Direktstart;
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2 Mollier-h,x-Diagramm und
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm zur beispielhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1a/b illustriert die Effekte des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Startzylinder während eines Direktstarts gekühlt wird. Teilfigur 1a zeigt die Entwicklung der Motordrehzahl während des Ablaufs eines Direktstarts, wobei der Verlauf 10 einen herkömmlichen Direktstart repräsentiert und der Verlauf 11 die Entwicklung der Motordrehzahl bei einem erfindungsgemäß optimierten Direktstart mit Kühlung des Startzylinders zeigt. Der Vergleich zeigt deutlich, dass die Motordrehzahl bei dem erfindungsgemäßen Direktstart deutlich schneller ansteigt als bei einem herkömmlichen Direktstart. In der Teilfigur 1b ist der Zylinderdruck im Startzylinder im Verhältnis zur Kurbelwellenposition dargestellt, wobei der Verlauf 12 den Zylinderdruck bei einem herkömmlichen Direktstart und der Verlauf 13 den Zylinderdruck bei einem erfindungsgemäßen Direktstart anzeigt. Auch hier ist zu erkennen, dass durch den erfindungsgemäßen Direktstart, bei dem der Startzylinder gekühlt wird, ein höherer Zylinderdruck im Startzylinder erreicht wird.
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Vorzugsweise wird die Kühlung des Startzylinders und gegebenenfalls der Folgezylinder gemäß der Erfindung im Rahmen eines Dekompressionsstarts durchgeführt. Bei dem Dekompressionsstart wird dabei die erste Zündung bzw. die erste Einspritzung bei demjenigen Zylinder (Startzylinder) durchgeführt, der sich gerade in der Expansionsphase ruhend befindet, sodass die Verbrennung ein Drehmoment in der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors einleitet. Zur Überwindung des oberen Totpunkts des in der Zündreihenfolge nachfolgenden Zylinders (Folgezylinder) wird ein Teil der Zylinderladung wieder ausgeschoben, sodass die aufgebaute kinetische Energie ausreichend ist, um die komplette Luftmasse in dem nachfolgenden Zylinder zu verdichten. Zu diesem Zweck der Dekompression wird zweckmäßigerweise ein sehr spätes Schließen der Einlassventile durchgeführt, sodass die Luftmasse auch durch die Eingangsventile wieder aus dem Zylinder ausgetrieben werden kann.
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Wenn das erfindungsgemäße Verfahren in Kombination mit einem Dekompressionsstart durchgeführt wird, müssen als Folge des in 1 illustrierten Effektes die folgenden Zylinder nicht mehr so stark dekomprimiert werden, um den Widerstand gegen die Kurbelwelle überwinden zu können. Daraus ergibt sich eine Verkürzung der Startzeit. Zudem ist die Gefahr eines Fehlstarts aufgrund von Störgrößen deutlich geringer, da die Initialverbrennung in dem Startzylinder bereits eine stärkere Beschleunigung bewirkt. Messungen haben ergeben, dass beispielsweise bei einem Vierzylindermotor, dessen Zylinderköpfe mit Kühlwasser angeströmt wurden, derjenige Zylinderkopf beim Starten die höchste Energieausbeute ergibt, der als erstes mit dem Kühlwasser angeströmt wurde. Die damit einhergehende Absenkung der Wandtemperatur des Zylinders bewirkt dabei gemäß dem beschriebenen erfindungsgemäßen Effekt einer Verbesserung des Direktstarts.
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Bei einem herkömmlichen Direktstart wird bereits während des Motorauslaufs oftmals in den für den folgenden Direktstart vorgesehenen Startzylinder ein Teil des Kraftstoffs eingespritzt. Hiermit kann eine bessere Gemischaufbereitung erreicht werden. Im Zuge dieser sogenannten Kraftstoffvorlagerung kann in einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens Wasser in den Startzylinder eingespritzt werden. Hierdurch wird ebenfalls eine Kühlung der Zylinderladung und insgesamt des Zylinders erreicht, da beim Phasenübergang des Wassers dem Luft-Kraftstoff-Gemisch Enthalpie entzogen und damit die Temperatur abgesenkt wird. Die Einspritzung von Wasser in den Zylinder kann durch eine Direkteinspritzung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion durch Direkteinspritzung oder gegebenenfalls durch ein zusätzliches Einspritzventil im Saugrohr vor dem Zylinder erfolgen. Wenn derartige Einspritzeinrichtungen bei einem Verbrennungsmotor bereits aus anderen Gründen vorgesehen sind, können diese Einspritzeinrichtungen mit besonderem Vorteil für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, um eine deutliche Verbesserung des Direktstarts gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erreichen. Hieraus ergibt sich ein Zusatznutzen derartiger Einspritzeinrichtungen. Um eine maximale und/oder optimale Wassermenge zu bestimmen, die das Gemisch in dem Zylinder aufnehmen kann und die für eine optimale Kühlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt, kann ein Mollier-h,x-Diagramm oder eine entsprechende Berechnung herangezogen werden.
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2 zeigt ein derartiges Mollier-h,x-Diagramm für feuchte Luft bei einem Druck von 1 bar. Beispielsweise kann mit einem Heißfilmluftmassenmesser oder einem anderen Sensor die in der Umgebung vorhandene Luftfeuchtigkeit ermittelt werden. Zur Messung der Ansaugluft kann beispielsweise ein Temperatursensor verwendet werden. Mit diesen Werten lässt sich aus dem h,x-Diagramm die Wassermenge ermitteln, die die Ansaugluft maximal aufnehmen kann und die daher für eine Wassereinspritzung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung des Startzylinders geeignet ist.
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3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird zunächst abgefragt, ob ein Motorauslauf vorliegt, indem beispielsweise überprüft wird, ob die Anzahl der Umdrehungen des Motors (nmot) unterhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes liegen. Wird im Schritt 30 ein Motorauslauf erkannt, kann der Pfad a) beginnend mit dem Schritt 40 oder alternativ der Pfad b), beginnend mit dem Schritt 50 eingeleitet werden. Im Prinzip ist es auch möglich, beide Pfade miteinander zu kombinieren. Sowohl im Pfad a) als auch im Pfad b) werden Maßnahmen ergriffen, um den Startzylinder bzw. die Startzylinderfüllung für einen nachfolgenden Direktstart zu kühlen. Hierfür wird im Pfad a) erst nach einem vorgebbaren Zeitversatz (Offset) in Schritt 40 im nachfolgenden Schritt 41 die Kühlmittelpumpe (Wasserpumpe) deaktiviert. Gemäß dieser Maßnahme läuft also während des Motorauslaufs und im Stillstand die Kühlmittelpumpe noch für eine vorgebbare Zeitdauer (Zeitversatz) nach und kühlt den Motor und damit insbesondere auch den Startzylinder bzw. die Wand des Startzylinders für den nachfolgenden Direktstart. Diese Nachlaufzeit entspricht dem Offset bzw. Zeitversatz (Schritt 40). Danach wird die Kühlmittelpumpe abgeschaltet (Schritt 41). Der Zeitversatz kann beispielsweise 2 Minuten betragen. In der Regel ist davon auszugehen, dass nach mehr als 2 Minuten kein Wiederstart, der als Dekompressionsstart erfolgen würde, mehr stattfindet. Somit wird zweckmäßigerweise nach 2 Minuten oder nach einem anderen geeigneten, vorgebbaren Zeitraum die Kühlmittelpumpe deaktiviert, um nicht unnötig Energie aus der Batterie für den Betrieb der Kühlmittelpumpe zu verschwenden. Durch die Kühlung des Startzylinders in der beschriebenen Weise wird der Direktstart durch eine erhöhte Energieausbeute bei der Zündung im Startzylinder verbessert. Im Pfad b) wird im Schritt 50 nach Erkennen des Motorauslaufs im Schritt 30 zunächst der Motor kontrolliert abgestellt und der Startzylinder, also der Zylinder, der sich in einer optimalen Position für einen Direktstart befindet, prognostiziert bzw. festgelegt. Im Schritt 51 wird Wasser in diesen Zylinder eingespritzt, wobei die Wassereinspritzung beispielsweise mit einer Kraftstoffvorlagerung kombiniert werden kann. Durch diese Wassereinspritzung in den Startzylinder erfolgt eine Kühlung des Startzylinders in der beschriebenen Weise, wodurch eine Verbesserung des Direktstarts in der beschriebenen Weise erzielt wird. Für eine Begrenzung der maximal einzuspritzenden Wassermenge im Schritt 52 kann ein h,x-Kennfeld 53 (ableitbar von einem Mollier-Diagramm) herangezogen werden, in das die relative Luftfeuchtigkeit 54 und die Ansaugtemperatur 55 einfließen. Unter Berücksichtigung dieser Größen kann aus dem Kennfeld 53 die maximale Wassermenge bestimmt werden, die von der Ansaugluft oder der Zylinderfüllung aufgenommen werden kann.
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Mit besonderem Vorteil werden der Pfad a) und der Pfad b) miteinander kombiniert, um eine optimale Kühlung des Startzylinders und gegebenenfalls der Folgezylinder und damit eine optimale Verbesserung des Direktstarts zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10255149 A1 [0004]
- DE 102011006288 A1 [0005]
