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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem der
Kraftstoff von mindestens einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
direkt in mindestens einen Brennraum eingespritzt wird.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium
für ein Steuer-
und/oder Regelgerät
einer Brennkraftmaschine, ein Steuer- oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine,
sowie eine Brennkraftmaschine.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt.
Es kommt bei Brennkraftmaschinen zum Einsatz, bei denen jedem Brennraum eine
eigene Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
zugeordnet ist. Diese spritzt den Kraftstoff direkt in den entsprechenden
Brennraum ein. Auf diese Weise kann im Brennraum ein geschichtetes
Kraftstoff-Luftgemisch
erzeugt werden.
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Die
verwendeten Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen umfassen ein Ventilelement,
welches von einem Piezoaktor betätigt
wird. Aufgrund des sehr schnellen Schaltvermögens derartiger Piezoaktoren kann
mit einer derartigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auch eine so
genannte "Mehrfacheinspritzung" realisiert werden.
Bei dieser wird während
eines Arbeitstaktes die Einspritzung in mehrere voneinander getrennte
Einspritzimpulse aufgeteilt. Dies kann bei hohen Lasten und hohen
Drehzahlen der Brennkraftmaschine die Klopfneigung reduzieren und
somit letztlich die von der Brennkraftmaschine erbringbare Leistung
steigern. Eine Mehrfacheinspritzung kann im Schichtbetrieb ferner
den Verbrennungsablauf stabilisieren.
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Die
Anwendungsmöglichkeiten
einer Mehrfacheinspritzung sind im Betrieb der Brennkraftmaschine
jedoch vor allem aus thermischen Gründen eingeschränkt. Dieser
Sachverhalt erklärt
sich daraus, dass bei jeder Ansteuerung des Piezoaktors im Piezoaktor
selbst und in einer Endstufe, welche den Piezoaktor letztlich ansteuert,
auch eine Verlustenergie entsteht, die zu einer Erwärmung des
Piezoaktors beziehungsweise der Endstufe führt. Eine zu starke Erwärmung kann
jedoch zu Schäden
an dem Piezoaktor und/oder der Endstufe führen.
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Um
dies zu vermeiden, wird das Ansteuersignal, mit dem der Piezoaktor
angesteuert wird, so geformt, dass möglichst wenig Verlustenergie
entsteht. Dies ist bei einem vergleichsweise flachen Gradienten
des Ansteuersignals der Fall. Außerdem wir die Endstufe so
groß gebaut,
dass die thermische Energie möglichst
gut abgeleitet werden kann. Ein flacher Gradient des Ansteuersignals
hat jedoch zur Folge, dass dann, wenn nur eine vergleichsweise geringe Kraftstoffmenge
in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll,
wenn also nur eine geringe Leistung von der Brennkraftmaschine gefordert
wird, dies im Rahmen einer Doppeleinspritzung nicht mehr möglich ist,
da die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu langsam öffnet und
schließt.
Außerdem sollte
die Endstufe möglichst
klein bauen.
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Die
vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe ein Verfahren der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, dass eine Doppeleinspritzung in
einem möglichst
weiten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine durchgeführt werden
kann. Ferner soll die Endstufe möglichst
klein und preiswert bauen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass ein Gradient eines Ansteuersignals, mit dem die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
angesteuert wird, mindestens von einer aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine
abhängt.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst:
Bei dem Computerprogramm, indem es zur Anwendung in einem Verfahren
dieser Art programmiert ist; bei dem elektrischen Speichermedium,
indem auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren
der obigen Art abgespeichert ist; bei der Steuer- und/oder Regeleinrichtung, indem sie
zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert ist,
und bei der Brennkraftmaschine, indem sie ein Steuer- und/oder Regelgerät umfasst,
welches zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
mit einem Ansteuersignal angesteuert, dessen Gradient zu Beginn
der Ansteuerung und am Ende der Ansteuerung vom Betriebszustand
der Brennkraftmaschine abhängt.
Daher kann in jenen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine, in denen pro Zeiteinheit nur vergleichsweise
wenige Ansteuervorgänge
durchgeführt werden, ein
entsprechend steiler Gradient gewählt werden, wohingegen in jenen
Betriebszuständen,
in denen pro Zeiteinheit vergleichsweise viele Ansteuervorgänge durchgeführt werden,
ein entsprechend flacher Gradient beim Ansteuersignal gewählt wird.
Wenige Ansteuerungen pro Zeiteinheit liegen jedoch bei niedrigen
Drehzahlen der Brennkraftmaschine vor, so dass insbesondere in einem
solchen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein steiler Gradient gewählt werden
kann.
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Ein
steiler Gradient des Ansteuersignals ermöglicht wiederum sehr kurze
und präzise Öffnungs- und
Schließvorgänge der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, was die Einbringung auch geringer
Kraftstoffmengen mittels Doppeleinspritzung mit hoher Präzision gestattet.
Somit wird der Drehzahlbereich, in dem eine Doppeleinspritzung möglich ist,
erweitert. Letztlich wird hierdurch wiederum im Betrieb der Brennkraftmaschine
der Emissionsausstoß und
der Kraftstoffverbrauch reduziert. Dabei kann ein übliches
und klein bauendes Steuergerät
verwendet werden, welches eine übliche
Endstufe umfasst, da deren thermische Belastung dank des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber
herkömmlichen
Verfahren nicht erhöht
wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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In
einer ersten vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass
unterhalb einer Grenzdrehzahl ein Gradient und oberhalb der Grenzdrehzahl ein
anderer Gradient verwendet wird. Ein solches Verfahren ist softwaretechnisch
einfach zu realisieren, da die entsprechenden Gradienten des Ansteuersignals
durch einen einfachen Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Grenzdrehzahl
gewählt
werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass der Gradient von der innerhalb eines Arbeitstaktes
einzuspritzenden Kraftstoffmenge abhängt. Durch diese Weiterbildung
wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Einspritzung von kleinsten
Kraftstoffmengen auch im Rahmen einer Einfacheinspritzung gegebenenfalls
nur möglich
ist, wenn das Ansteuersignal mit einem ausreichend steilen Gradienten
ansteigt beziehungsweise abfällt.
Daher können
bei diesem Verfahren auch kleinste Kraftstoffmengen in den Brennraum
einer Brennkraftmaschine eingebracht werden, ohne dass gleichzeitig
bei hohen Drehzahlen und/oder großen in den Brennraum einzuspritzenden Kraftstoffmengen
thermische Probleme auftreten.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass unterhalb einer Grenzkraftstoffmenge
ein Gradient und oberhalb der Grenzkraftstoffmenge ein anderer Gradient
verwendet wird. Dies ist softwaretechnisch einfach zu realisieren.
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Es
ist auch möglich,
dass der Gradient von einer Betriebsart der Brennkraftmaschine abhängt. Dies
gestattet in unterschiedlichen Betriebsarten der Brennkraftmaschine
jeweils ein für
den thermischen Haushalt und für
den Kraftstoffverbrauch und das Emissionsverhalten optimales Ansteuern
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass sich die Betriebsarten
mindestens durch die Anzahl der Einspritzungen pro Arbeitstakt unterscheiden.
Bei Einfacheinspritzungen kann dabei üblicherweise ein flacherer
Gradient gewählt
werden, wohingegen bei Doppelbeziehungsweise Mehrfacheinspritzungen
ein steilerer Gradient gewählt
wird.
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In
nochmaliger Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Grenzdrehzahl
von der Betriebsart abhängt.
Hierdurch werden die Vorteile von zwei der oben genannten Varianten
auf programmtechnisch besonders einfach realisierbare Art und Weise
erzielt.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;
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2 ein Diagramm, in dem eine
erste Art eines Ansteuersignals der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1 über der Zeit aufgetragen ist;
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3 ein Diagramm ähnlich 2 einer zweiten Art eines
Ansteuersignals;
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4 ein Kennfeld für den Gradienten
des Ansteuersignals, in welches eine Drehzahl und eine einzuspritzende
Kraftstoffmenge eingespeist werden;
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5 ein Flussdiagramm eines
Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1; und
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6 eine Variante des Kennfelds
von 4.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10.
Dabei sind nur jene Komponenten dargestellt, welche für die nachfolgend beschriebenen
Funktionen von besonderer Bedeutung sind.
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Die
Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen
in 1 nur einer mit dem
Bezugszeichen 12 gezeigt ist. Der Zylinder 12 umfasst einen
Brennraum 14. Diesem wird Verbrennungsluft über einen
Einlasskanal 16 und ein Einlassventil 18 zugeführt. Die
heißen
Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 14 über ein
Auslassventil 20 und einen Auslasskanal 22 abgeführt. Ein
im Brennraum 14 befindliches Kraftstoff-Luftgemisch wird
von einer Zündkerze 24 entflammt.
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Kraftstoff
gelangt in den Brennraum 14 über eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 26,
welche an ein Kraftstoffsystem 28 angeschlossen ist. Dieses
kann beispielsweise eine Kraftstoff-Sammelleitung ("Rail") umfassen, in welcher
der Kraftstoff unter hohem Druck bereitgestellt wird. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 26 spritzt
den Kraftstoff direkt in den ihr unmittelbar zugeordneten Brennraum 14 ein.
Hierzu verfügt
sie über
ein nicht dargestelltes Ventilelement, welches von einem Piezoaktor 30 bewegt
werden kann. Dieser wird von einer Endstufe 32 angesteuert, welche
wiederum mit einem Steuer- und
Regelgerät 34 verbunden
ist.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird eine Kurbelwelle 36 in
Drehung versetzt. Deren Drehzahl wird von einem Drehzahlsensor 38 erfasst,
der entsprechende Signale an das Steuer- und Regelgerät 34 liefert.
Die Brennkraftmaschine 10 ist in ein in 1 nicht gezeigtes Kraftfahrzeug eingebaut.
Die Leistung der Brennkraftmaschine 10 wird vom Benutzer
des Kraftfahrzeugs über
ein Fahrpedal 40 angefordert, welches ein entsprechendes
Signal an das Steuer- und Regelgerät 34 liefert.
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Aufgrund
der Möglichkeit
der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum 14 kann die
Brennkraftmaschine 10 in unterschiedlichen Betriebsarten
betrieben werden. In einer Betriebsart "Schicht" wird der Kraftstoff während eines
Kompressionstaktes so in den Brennraum 14 eingebracht, dass
er in diesem "geschichtet" vorliegt. In einer
Betriebsart "homogen" wird der Kraftstoff
während
eines Ansaugtaktes so in den Brennraum 14 eingebracht, dass
er in diesem im Wesentlichen homogen verteilt ist. Möglich ist
dabei die Einbringung des Kraftstoffes durch eine einzige Einspritzung
pro Arbeitstakt ("Einfacheinspritzung"), oder durch eine
Mehrzahl von Einspritzungen pro Arbeitstakt ("Mehrfacheinspritzung").
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Damit
die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 26 Kraftstoff in den
Brennraum 14 einspritzt, muss der Piezoaktor 30 seine
Länge verändern. Hierzu
wird an ihn eine Spannung Uout (vgl. 2 und 3) angelegt, durch die die
Ladung des Piezoaktors 30 verändert wird. Das entsprechende
Spannungssignal trägt
in 2 das Bezugszeichen 42.
Je nach Ladungszustand des Piezoaktors 30 weist dieser
eine unterschiedliche Länge
auf. Die Geschwindigkeit, mit der die Ladungsänderung im Piezoaktor 30 bewirkt
wird, wird auch als "Ansteuerdauer" bezeichnet.
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In 2 ist die Ansteuerung des
Piezoaktors 30 im Falle einer Einfacheinspritzung 41 gezeigt.
Die Ansteuerdauer zum Laden des Piezoaktors 30 ist mit ton
bezeichnet, die Ansteuerdauer zum Entladen des Piezoaktors 30 mit
toff. Durch die Höhe
der Spannung Uout, die an dem Piezoaktor 30 angelegt wird, und
die Ansteuerdauern ton bzw. toff werden entsprechende Gradienten 43 bzw. 45 des
Ansteuersignals 42 definiert. Diese sind bei der in 2 gezeigten Einfacheinspritzung 41 relativ
flach. Wie aus dem in 4 gezeigten
Kennfeld hervorgeht, werden derartige vergleichsweise flache Gradienten 43 bzw. 45 durch
einen Kennfeldbereich 44 definiert, bei dem eine Drehzahl
nmot der Kurbelwelle 36 der Brennkraftmaschine 10 und
eine in den Brennraum 14 einzuspritzende Kraftstoffmenge
qdyn vergleichsweise hoch sind und bis zu den maximalen Werten nmotmax
bzw. qdynmax reichen.
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In 3 sind die Ansteuersignale 42a und 42b für den Piezoaktor 30 gezeigt,
wie sie bei einer Zweifacheinspritzung 41a und 41b vorliegen.
Bei einer solchen Zweifacheinspritzung im Schichtbetrieb werden
während
eines einzigen Kompressionstakts der Brennkraftmaschine 10 zwei
Einspritzimpulse 41a und 41b durchgeführt. Bei
jedem Einspritzimpuls 41a und 41b wird nur eine
vergleichsweise geringe Kraftstoffmenge qdyn in den Brennraum 14 eingebracht
und die Ansteuerdauern ton und toff sind vergleichsweise kurz. Entsprechend
ergeben sich vergleichsweise steile Gradienten 43a, 45a, 43b, 45b der
Ansteuersignale 42a und 42b. Ein entsprechender
Kennfeldbereich in 4 trägt das Bezugszeichen 46.
Er liegt im Bereich einer vergleichsweise geringen Drehzahl nmot
und einer vergleichsweise geringen einzubringenden Kraftstoffmenge
qdyn. Der Kennfeldbereich 44 ist vom Kennfeldbereich 46 durch
eine Grenzdrehzahl Gnmot1 und durch eine Grenzkraftstoffmenge Gqdyn
getrennt. Die Grenzdrehzahl kann, wie weiter unten noch stärker im
Detail erläutert
ist, allerdings variieren. So ist auch eine zweite Grenzdrehzahl
Gnmot 2 definiert. Die entsprechende Abgrenzung ist in 4 gestrichelt dargestellt.
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Man
erkennt, dass bei vergleichsweise niedriger Drehzahl nmot und geringer
einzubringender Kraftstoffmenge qdyn kurze Ansteuerdauern ton und toff
und somit ein vergleichsweise steiler Gradient beim Ansteuersignal 42 gewählt wird,
wohingegen bei hoher Drehzahl nmot und/oder großer einzubringender Kraftstoffmenge
qdyn lange Ansteuerdauern ton und toff und in der Folge ein vergleichsweise
flacher Gradient beim Ansteuersignal 42 gewählt wird.
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Der
flache Gradient ist so gewählt,
dass bei einer Ansteuerung des Piezoaktors 30 nur eine
geringe Verlustwärme
im Piezoaktor 30 und in der Endstufe 32 erzeugt
wird. Diese Ansteuerung kann daher auch bei hohen Drehzahlen gewählt werden,
ohne dass durch die erzeugte Verlustwärme eine maximal zulässige Temperatur
des Piezoaktors 30 oder der Endstufe 32 erreicht
wird. Andererseits kann durch die Verwendung eines steilen und eine
hohe Verlustwärme
erzeugenden Gradienten bei geringer Drehzahl nmot auch eine sehr
geringe Kraftstoffmenge qdyn bei einem Arbeitstakt in den Brennraum 14 eingebracht
werden, und dies sogar durch eine Doppeleinspritzung, wie in 3 gezeigt.
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Ein
entsprechendes Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 wird
nun unter Bezugnahme auf 5 erläutert. Es
ist als Computerprogramm in einem Speicher 64 des Steuer-
und Regelgeräts 34 abgelegt.
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Nach
einem Startblock 48 wird die Brennkraftmaschine 10 in
einem Block 50 standardmäßig so betrieben, dass der
Piezoaktor 30 mit einem Ansteuersignal 42 mit
einem vergleichsweise flachen Gradienten, entsprechend 2, angesteuert wird (dabei
sei darauf hingewiesen, dass natürlich
nicht unbedingt ein Gradient, sondern gegebenenfalls auch eine Ansteuerdauer
und eine entsprechende Höhe
des Ansteuersignals definiert werden können).
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In
einem Block 52 wird geprüft, ob die einzuspritzende
Kraftstoffmenge qdyn kleiner ist als der Grenzwert Gqdyn. Zumindest
im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 10 wird durch
die einzuspritzende Kraftstoffmenge qdyn die Leistung der Brennkraftmaschine 10 definiert.
Die einzuspritzende Kraftstoffmenge qdyn wird im Schichtbetrieb
also aus der Stellung des Fahrpedals 40 bestimmt. Im Homogenbetrieb
ergibt sich die einzuspritzende Kraftstoffmenge aus der Luftfüllung im
Brennraum 14. Ist die Antwort im Block 52 "nein", erfolgt ein Rücksprung
zum Block 50, und die Ansteuerung wird weiter mit dem flachen Gradienten
durchgeführt.
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Ist
die Antwort im Block 52 dagegen "ja",
wird in einem Block 54 geprüft, ob der Kraftstoff in den Brennraum 14 mittels
einer Einfacheinspritzung oder mittels einer Zweifacheinspritzung
eingebracht werden soll. Eine Einfacheinspritzung erfolgt üblicherweise
in einem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 10, wohingegen
im Schichtbetrieb zur Stabilisierung des Brennverlaufs eine Zweifacheinspritzung gewünscht werden
kann. Ist die Antwort im Block 54 "nein" (Zweifacheinspritzung),
wird in einem Block 56 geprüft, ob die aktuelle Drehzahl
nmot kleiner ist als der Grenzwert Gnmot2. Ist die Antwort im Block 56 "nein", erfolgt ein Rücksprung
zum Block 50 (flacher Gradient). Ist die Antwort dagegen "ja", wird im Block 58 auf
einen vergleichsweise steilen Gradienten beim Ansteuersignal 42 für den Piezoaktor 30 umgeschaltet.
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Ist
die Antwort im Block 54 "ja" (Einfacheinspritzung),
wird in einem Block 60 geprüft, ob die aktuelle Drehzahl
nmot der Kurbelwelle 36 der Brennkraftmaschine 10 kleiner
ist als eine Grenzdrehzahl Gnmot1. Diese ist höher als die Grenzdrehzahl Gnmot2.
Ist die Antwort im Block 60 "nein",
erfolgt ebenfalls ein Rücksprung
zum Block 50, und es wird ein vergleichsweise flacher Gradient
beim Ansteuersignal 42 verwendet. Ist die Antwort im Block 60 dagegen "ja", wird im Block 58 wiederum
auf den vergleichsweise steilen Gradienten beim Ansteuersignal 42 für den Piezoaktor 30 umgeschaltet.
Das Verfahren endet in einem Endblock 62.
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Eine
Variante des in 4 gezeigten
Kennfelds ist in 6 dargestellt:
Aus diesem ist deutlich erkennbar, dass insbesondere bei niedrigen
Drehzahlen und einer geringen einzuspritzenden Kraftstoffmenge die
Grenze, bei der sogar noch eine 3-fach-Einspritzung möglich ist,
deutlich hin zu einer niedrigeren Drehzahl und einer geringen einzuspritzenden
Kraftstoffmenge hin verschoben ist. Eine gekrümmte gestrichelte Linie mit
dem Bezugszeichen 66 bezeichnet die Grenze zwischen einem
steilen Gradienten und einem flachen Gradienten bei einer 1-fach-Einspritzung.
Die Seite der Grenzlinie mit einem steilen Gradienten ist mit 68,
jene mit einem flachen Gradienten mit 70 bezeichnet. Eine
entsprechende Grenzlinie für
eine 2-fach-Einspritzung ist mit 72, eine solche für eine 3-fach-Einspritzung
mit 74 gekennzeichnet.