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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung, insbesondere einer Direkteinspritzvorrichtung, einer Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine derartige Einspritzvorrichtung sowie eine Brennkraftmaschine.
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Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal im Hinblick auf den Verbrauch betrieben werden, da der Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Einspritzsysteme vorhanden, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. Die Einspritzung des Wassers kann entweder direkt in den Brennraum oder in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine erfolgen. Insbesondere kann das Wasser zuerst mit Kraftstoff gemischt und das entstandene Gemisch dann eingespritzt werden. Dabei ist zu beachten, dass das Wasser nicht unmittelbar mit der Anforderung zur Wassereinspritzung zur Verfügung steht. Insbesondere bei einer Zudosierung von Wasser in einer Direkteinspritzvorrichtung, bei der eine Mischung von Kraftstoff und Wasser stattfindet, muss vor Erreichen der Sollmenge das Volumen von der Eindosierstelle bis zum Injektor mit dem Gemisch aus Kraftstoff und Wasser durchgespült werden und die erforderliche Wasserkonzentration am Hochdruckinjektor aufgebaut werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine weist den Vorteil auf, dass eine Wassermenge bzw. eine Wasserkonzentration in mindestens einem Injektor der Einspritzvorrichtung schneller erreicht werden kann. Mit anderen Worten kann die Totzeit bis die Wassermenge im Injektor ihren Sollwert (Zielwert) erreicht hat reduziert werden. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine erreicht, wobei die Einspritzvorrichtung mindestens einen Injektor zum Einspritzen eines Gemisches aus Kraftstoff und Wasser umfasst. Gemäß dem Verfahren wird eine Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches in einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine auf einen zweiten Wert eingestellt, der höher als ein erster Wert ist, der für die Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches im selben Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorbestimmt ist. Der zweite Wert wird für eine vorbestimmte Zeitperiode verwendet. Mit anderen Worten wird ein Sollwert bzw. eine Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches für eine vorbestimmte Zeitperiode übersteuert. Durch die Verwendung einer höheren Sollmenge für eine vorbestimmte Zeitperiode kann die vorbestimmte Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches schneller erreicht werden. Die vorbestimmte Sollmenge entspricht mit anderen Worten der Zielmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches, die für den entsprechenden Betriebspunkt vorbestimmt bzw. dem entsprechenden Betriebspunkt zugeordnet ist. Das heißt, dass die Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches der angeforderten, verbrennungsbedingten, Menge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches entspricht. Somit kann auch bei einer dynamischen Betriebsweise der Brennkraftmaschine bzw. einer dynamischen Fahrweise eines die Brennkraftmaschine umfassenden Fahrzeugs mit schnellen Beschleunigungsgradienten ermöglicht werden, dass das Wasser rechtzeitig im Brennraum zur Verfügung steht. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass bauteilschädigende Temperaturspitzen im Abgasstrang vermieden werden können. Das Erreichen der Zielmenge in dem entsprechenden Betriebspunkt ist besonders wichtig, da nur mit einer ausreichenden Wassermenge die Klopfneigung genügend gesenkt werden kann, dass durch ein Vorziehen des Zündwinkels effektiv die Abgastemperatur gesenkt wird. Insbesondere ist die Einspritzvorrichtung eine Direkteinspritzvorrichtung, wobei das Gemisch aus Wasser und Kraftstoff direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches kann entweder als absolute Wassermenge oder als Wasserrate, insbesondere ein Verhältnis der Sollmenge Wasser des einzuspritzenden Gemisches zur Sollmenge Kraftstoff des einzuspritzenden Gemisches, definiert sein. Das einzuspritzende Gemisch ist insbesondere als das Gemisch im Injektor zu verstehen. Wenn die Einspritzvorrichtung eine Mehrzahl von Injektoren aufweist, die an einem gemeinsamen Verteiler angeordnet sind, ist das einzuspritzende Gemisch insbesondere als das Gemisch im Verteiler oder in den Injektoren zu verstehen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt wird die Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches auf den zweiten Wert eingestellt, wenn im Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Differenz zwischen dem ersten Wert und einem Istwert des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches größer gleich einer vorbestimmten Schwelle (erste Schwelle) ist. Der Zustand, bei dem die Differenz zwischen dem ersten Wert und einem Istwert des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches größer als die vorbestimmte Schwelle ist, deutet eine dynamische Betriebsweise der Brennkraftmaschine an. Im Gegensatz dazu entspricht der Zustand, bei dem die Differenz zwischen dem ersten Wert und einem Istwert des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches kleiner als die vorbestimmte Schwelle ist, einer stationären Betriebsweise der Brennkraftmaschine. Bei der stationären Betriebsweise der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise nur der erste Wert für die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches verwendet. Der Istwert des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches entspricht dem aktuellen Wert der Istmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches. Die Istmenge des Wasseranteils kann aus einer Istmenge des Gemisches und einer Istmenge des Kraftstoffs berechnet werden.
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Vorzugsweise wird für die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches der zweite Wert zumindest bis Wasser im mindestens einen Injektor detektiert wird verwendet. Wenn die Einspritzvorrichtung zwei oder mehrere Injektoren umfasst, wird der zweite Wert für die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches vorzugsweise mindestens bis Wasser in den Injektoren oder in einem Verteiler der Einspritzvorrichtung, mit dem alle Injektoren verbunden sind, detektiert wird verwendet. Mit anderen Worten wird die vorbestimmte Zeitperiode zumindest als die Zeitperiode bestimmt, die verstrichen wird, bis Wasser im mindestens einen Injektor oder im Verteiler detektiert wird.
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Die Zeitperiode, während der für die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches der zweite Wert verwendet wird, läuft bevorzugt ab, wenn ein Istwert des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches größer als eine vorbestimmte Schwelle (zweite Schwelle) ist.
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Während der vorbestimmten Zeitperiode bleibt der zweite Wert vorzugsweise konstant.
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Nach dem Ablauf der vorbestimmten Zeitperiode, während der der zweite Wert für die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches benutzt wird, wird für die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches vorzugsweise der erste Wert verwendet.
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Insbesondere ist der zweite Wert um mindestens 30%, bevorzugt um mindestens 50%, besonders bevorzugt um 70%, höher als der erste Wert.
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Bei der Einstellung der Sollmenge auf den zweiten Wert wird der Kraftstoffanteil vorzugsweise derart angepasst, dass eine stabile Gemischbildung aus dem Wasser und dem Kraftstoff möglich ist. Mit anderen Worten wird vorzugsweise auch immer genügend Kraftstoff gefördert.
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Vorzugsweise kann die Einspritzvorrichtung einen Wassertank und ein Wasser-Dosierventil zum Einbringen einer Dosiermenge aus dem Wassertank in einen Kraftstoffbereich umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Dosiermenge in Abhängigkeit von der Sollmenge des Wasseranteils des Gemisches, von geometrischen Volumina von Elementen der Einspritzvorrichtung, die zwischen dem Wasser-Dosierventil und dem mindestens einen Injektor angeordnet sind, und von einer Sollmenge des Gemisches aus Kraftstoff und Wasser berechnet. Elemente, die zwischen dem Wasser-Dosierventil und dem mindestens einen Injektor angeordnet sind, können insbesondere mindestens eine Leitung, insbesondere eine Wasser- und/oder Kraftstoffleitung, und/oder eine Pumpe, insbesondere eine Hochdruckpumpe, und/oder, bei einer Einspritzvorrichtung mit einer Mehrzahl von Injektoren, einen Verteiler, an dem die Injektoren angeordnet sind, umfassen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Einspritzvorrichtung, insbesondere eine Direkteinspritzvorrichtung, einer Brennkraftmaschine. Dabei umfasst die Einspritzvorrichtung mindestens einen Injektor zum Einspritzen eines Gemisches aus Kraftstoff und Wasser und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist eingerichtet, eine Sollmenge des Wasseranteils des Gemisches in einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine auf einen zweiten Wert einzustellen, wobei der zweite Wert höher als ein erster Wert ist, der für die Sollmenge des Wasseranteils des Gemisches im selben Betriebspunkt der Brennkraftmaschine vorbestimmt ist, und den zweiten Wert für eine vorbestimmte Zeitperiode zu verwenden. Die das zuvor beschriebene Verfahren betreffenden Erläuterungen und Vorteile beziehen sich auch auf die Einspritzvorrichtung.
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Insbesondere ist eine Einspritzvorrichtung vorgeschlagen, die eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
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Ferner wird eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Einspritzvorrichtung vorgeschlagen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische, vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Einspritzvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
- 2 ein Diagramm, durch das Verfahren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert wird.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Einspritzvorrichtung 1 einer Brennkraftmaschine 2 und ein Verfahren zum Betreiben der Einspritzvorrichtung 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Die Brennkraftmaschine 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Zylindern auf. Der besseren Übersicht halber ist in 1 nur ein Zylinder dargestellt. Die folgende Beschreibung hinsichtlich des Aufbaus der Brennkraftmaschine 2 gilt allerdings für alle Zylinder.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Brennkraftmaschine 2 bzw. der Zylinder einen Brennraum 20, in welchem ein Kolben 21 hin und her bewegbar ist. Ferner weist die Brennkraftmaschine 2 einen Einlasskanal 22 auf, über welchen Luft zum Brennraum 20 zugeführt werden kann. Dazu ist ein Einlassventil 25 vorgesehen, welches den Einlasskanal 22 freigibt oder schließt. Abgas wird über einen Abgaskanal 23 abgeführt. Hierzu ist ein Auslassventil 26 vorgesehen, welches den Abgaskanal 23 freigibt oder schließt.
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Die Einspritzvorrichtung 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Injektoren 10. Der besseren Übersicht halber zeigt 1 nur einen Injektor 10. Die folgende Beschreibung hinsichtlich des Injektors 10 gilt allerdings für alle Injektoren 10.
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Der in 1 dargestellte Injektor 10 ist am Brennraum 20 angeordnet und eingerichtet, ein Gemisch aus Wasser und Kraftstoff direkt in den Brennraum 20 einzuspritzen. Die Einspritzvorrichtung 1 ist somit eine Direkteinspritzvorrichtung. Zum Versorgen des Injektors 10 mit dem Gemisch aus Wasser und Kraftstoff ist der Injektor 10 mit einem Verteiler 11 verbunden bzw. am Verteiler 11 angeordnet. Am Verteiler 11 sind alle Injektoren 10 der Einspritzvorrichtung 1 angeschlossen.
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Die Einspritzvorrichtung 1 umfasst ferner eine Wasserpumpe 14 zum Fördern von Wasser aus einem Wassertank 15. Zwischen dem Wassertank 15 und der Wasserpumpe 14 ist vorzugsweise ein Filter 16 vorgesehen.
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Des Weiteren sind bei der Einspritzvorrichtung 1 ein Wasser-Dosierventil 13, welches mit der Wasserpumpe 14 verbunden ist, und eine Hochdruckpumpe 12 vorgesehen.
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Ferner umfasst die Brennkraftmaschine 2 eine Kraftstoffleitung 27, über welche der Hochdruckpumpe 12 Kraftstoff zugeführt werden kann. Das Wasser-Dosierventil 13 ist mit der Hochdruckpumpe 12 derart verbunden, dass Wasser durch das Wasser-Dosierventil 13 in einen Kraftstoffbereich eingebracht wird, bevor eine Drucksteigerung durch die Hochdruckpumpe 12 stattfindet. Der Kraftstoffbereich umfasst einen Ansaugbereich 18 der Hochdruckpumpe 12. Es ist aber möglich, dass der Kraftstoffbereich die Kraftstoffleitung 27 umfasst. In diesem Fall wird Wasser direkt in die Kraftstoffleitung 27 eingebracht.
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Das Gemisch aus dem Kraftstoff und dem Wasser wird dann durch die Hochdruckpumpe 12 zum Verteiler 11 gefördert. Aus dem Verteiler 11 kann das Gemisch aus dem Kraftstoff und dem Wasser durch den Injektor 10 in den Brennraum 20 bzw. durch die Injektoren 10 in die Brennräume eingespritzt werden.
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Zum Steuern des Injektors 10 bzw. der Injektoren 10 ist eine Steuereinheit 17 vorgesehen. Die Steuereinheit 17 ist ferner eingerichtet, die Wasserpumpe 14, das Wasser-Dosierventil 13 und die Hochdruckpumpe 12 zu steuern. Es ist allerdings auch möglich, dass für jedes dieser Elemente oder für eine Gruppe aus diesen Elementen eine separate Steuereinheit vorgesehen ist.
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Das Verfahren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird anhand von 2 erläutert.
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2 zeigt ein Diagramm, bei dem die x-Achse die Zeit T in Sekunden und die y-Achse die Wasserrate W, d.h. das Verhältnis der einzuspritzenden Wassermenge zur einzuspritzenden Kraftstoffmenge, bezeichnet. Die im Diagramm angegebenen Werte sind nur als ein Beispiel der Erfindung zu verstehen.
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Im Diagramm sind vier Kurven dargestellt. Die erste Kurve 201 und die zweite Kurve 202 beziehen sich auf eine Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches für einen (denselben) Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2, wobei sich die dritte Kurve 203 und die vierte Kurve 204 auf einen zeitlichen Verlauf des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches im Verteiler 11 beziehen. Insbesondere zeigt die dritte Kurve 203 den zeitlichen Verlauf des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches im Verteiler 11, wenn die Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches gemäß der ersten Kurve 201 eingestellt wird. Entsprechend zeigt die vierte Kurve 204 den zeitlichen Verlauf des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches im Verteiler, wenn die Sollmenge des Wasseranteils des einzuspritzenden Gemisches gemäß der zweiten Kurve 202 eingestellt wird.
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Die erste Kurve 201 weist einen ersten Bereich 201-1, einen zweiten Bereich 201-2 und einen dritten Bereich 201-3 auf. Im ersten Bereich 201-1 ist die Sollmenge Null. Im zweiten Bereich 201-2 weist die Sollmenge einen zweiten Wert 302 für eine vorbestimmte Zeit t und im dritten Bereich 201-3 einen ersten Wert 301 auf. Dabei ist der zweite Wert 302 höher als der erste Wert 301. Insbesondere ist der zweite Wert 302 um mehr als 30% höher als der erste Wert 301. Der zweite Wert 302 ist während der vorbestimmten Periode t konstant.
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Die zweite Kurve 202 umfasst einen ersten Bereich 202-1 und einen zweiten Bereich 202-2. Im ersten Bereich 202-1 ist die Sollmenge Null. Der erste Bereich 202-1 der zweiten Kurve 202 ist im Diagramm durch den ersten Bereich 201-1 der ersten Kurve 201 gedeckt. Im zweiten Bereich 202-2 weist die Sollmenge den ersten Wert 301 auf. Der zweite Bereich 202-2 (gestrichelt) der zweiten Kurve 202 ist teilweise durch den dritten Bereich 201-3 der ersten Kurve 201 gedeckt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Sollmenge in einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2 gemäß der ersten Kurve 201 eingestellt. Die zweite Kurve 202 bezieht sich auf eine vorbestimmte Sollmenge für denselben Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2. Das heißt, dass der erste Wert 301 für diesen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2 vorbestimmt ist. Dies bedeutet, dass in diesem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine die Wassermenge im Verteiler 11 im Wesentlichen dem ersten Wert 301 am Ende der Förderung von Wasser zum Verteiler 11 entsprechen muss.
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Insbesondere wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches auf den zweiten Wert 302 eingestellt, der für die vorbestimmte Zeitperiode t verwendet wird.
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Bevorzugt wird die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches auf den zweiten Wert 302 eingestellt, wenn im Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2 eine Differenz zwischen dem ersten Wert 301 und einem Istwert des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches größer gleich einer vorbestimmten Schwelle (erste Schwelle) ist.
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Wie sich aus der ersten Kurve 201 und der dritten Kurve 203 ergibt, endet die vorbestimmte Periode t, nachdem detektiert worden ist, dass Wasser den Verteiler 11 erreicht hat. Der Zeitpunkt, zu dem dies erfolgt, ist im Diagramm als Zeitpunkt t1 bezeichnet.
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Die vorbestimmte Zeitperiode t, während der für die Sollmenge des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches der zweite Wert 302 verwendet wird, läuft ab, wenn ein Istwert des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches größer als eine vorbestimmte Schwelle 303 (zweite Schwelle) ist. Es ist aber auch möglich, dass die vorbestimmte Zeit t einen fixen Wert hat.
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Nach dem Ablauf der vorbestimmten Zeitperiode t wird die Sollmenge zurück auf den ersten Wert 301 eingestellt. Der erste Wert 301 wird dann für die Sollmenge verwendet (dritter Bereich 201-3 der ersten Kurve 201), bis sich der Istwert des Wasseranteils dem ersten Wert 301 annähert bzw. wenn der Istwert gleich oder im Wesentlichen gleich mit dem ersten Wert 301 wird.
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Die durch das Wasser-Dosierventil 13 bereitgestellte Dosiermenge wird in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert der Sollmenge des Wasseranteils des Gemisches, von geometrischen Volumina von Elementen der Einspritzvorrichtung zwischen dem Wasser-Dosierventil 13 und den Injektoren 10, nämlich der Hochdruckpumpe 12, der Leitung zwischen dem Wasser-Dosierventil 13 und der Hochdruckpumpe 12, der Leitung zwischen der Hochdruckpumpe 12 und dem Verteiler 11 und des Verteilers 11, und von dem jeweiligen Wert der Sollmenge des Gemisches aus Kraftstoff und Wasser berechnet.
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Wird also über die Steuereinheit 17 eine Wassereinspritzung bzw. eine Einspritzung eines Gemisches aus Kraftstoff und Wasser zu einem Zeitpunkt t0 angefordert, wird zunächst geprüft, ob eine Differenz zwischen dem ersten Wert 301 und dem aktuellen Istwert des Wassersanteils des einzuspritzenden Gemisches größer gleich einer vorbestimmten Schwelle (erste Schwelle) ist. Wenn dies der Fall ist, übersteuert die Steuereinheit 17 die Sollmenge des Wasseranteils nach dem oben beschriebenen Verfahren. Ferner steuert die Steuereinheit 17 die Wasserpumpe 14 an, so dass Wasser aus dem Wassertank 15 angesaugt wird, sowie das Wasser-Dosierventil 13, so dass die erforderliche Dosiermenge einstellt.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren wird die Sollmenge des Wasseranteiles des Gemisches aus Wasser und Kraftstoff gezielt übersteuert. Dies hat den Vorteil, dass die Wassermenge im Verteiler 11 bzw. den Injektoren 10 schneller ansteigt bzw. den ersten Wert 301 erreicht. Wie aus der dritten Kurve 203 und der vierten Kurve 204 ersichtlich ist, ergibt die dritte Kurve 203 einen höheren Wert für die Wassermenge im Verteiler 11 als die vierte Kurve 204 für denselben Zeitpunkt.
