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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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 aus der
DE 101 13 670 A1 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 durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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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 in einem solchen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein steiler Gradient gewählt werden kann, wohingegen bei hohen Drehzahlen ein flacher Gradient gewählt wird.
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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 Doppel- beziehungsweise 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.
