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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation bzw. zur Zylinderzuordnung
zur Kurbelwellenstellung bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Bei
einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit einer Kurbel- und einer
Nockenwelle, bei der in einem Steuergerät berechnet wird, wann und
wieviel Kraftstoff pro Zylinder eingespritzt werden soll, muß es gewährleistet
sein, daß der
Kraftstoff den einzelnen Zylindern zum richten Zeitpunkt und in
der richtigen Menge zugeführt
wird. Damit die Berechnungen in korrekter Weise durchgeführt werden
können,
muß die
jeweilige Stellung der Kurbel- bzw. Nockenwelle der Brennkraftmaschine
bekannt sein, es ist daher üblich,
Kurbel- und Nockenwellengeber einzusetzen, die die Stellung ermitteln.
Dazu sind die Kurbel- und die Nockenwelle mit je einer Scheibe verbunden,
die eine vorgebbare Anzahl von Winkelmarken aufweisen. Die mit der
Kurbelwelle verbundene Scheibe hat üblicherweise n–e (beispielsweise
60–2) Winkelmarken,
die Bezugsmarke wird also durch eine Lücke von zwei Winkelmarken gebildet.
Die mit der Nockenwelle verbundene Scheibe hat ebenfalls eine Winkelmarke.
Beide Geberscheiben werden mit Hilfe geeigneter Aufnehmer abgetastet,
die ein Ausgangssignal abgeben, das der Scheibenoberfläche entspricht.
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Da
bei einer Vier-Takt-Brennkraftmaschine zwei Kurbelwellenumdrehungen
für einen
Arbeitszyklus benötigt
werden, wird im Normalfall die Zylinderzuordnung des Kurbelwellensignales
mit Hilfe der Signale vom Nockenwellengeber durchgeführt. Fällt der
Nockenwellengeber aus oder ist dieser überhaupt nicht vorhanden, kann
eine redundante Synchronisation, also eine Zylinderzuordnung zum
Kurbelwellensignal auch ausschließlich mittels des Kurbelwellensignales
erfolgen. Da das Kurbelwellensignal die Bezugsmarke in jeder Umdrehung
liefert, ist keine vollständige
Zyinderzuordnung zum Kurbelwellenwinkel möglich. Damit eine solche Zuordnung
erfolgen kann, wird bei dem aus der
DE 40 40 828 A1 bekannten Steuersystem zur
Brennkraftmaschinenregelung vorgeschlagen, daß bei erkannter Bezugsmarke
im Kurbelwellensignal vom Steuergerät der Brennkraftmaschine eine
Einspritzung in einem bzw. für
einen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt, von dem vermutet
wird, daß er
sich beim Auftreten der Bezugsmarke in seinem oberen Totpunkt befindet.
Da im Steuergerät
außerdem
laufend die Drehzahl der Brennkraftmaschine durch Auswertung vorgebbarer
Signalflanken des Kurbelwellensignales bestimmt wird, kann festgestellt
werden, ob durch die Probezumessung eine Drehzahlerhöhung verursacht wird.
Eine Drehzahlerhöhung
als Folge der Probeeinspritzung erfolgt nur dann, wenn der eingespritzte Kraftstoff
auch gezündet
wird. Durch die Zündung bzw.
den Verbrennungsvorgang wird eine Drehzahlbeschleunigung verursacht,
wodurch vom Steuergerät
festgestellt wird, daß der
Zylinder, in den eingespritzt wurde, sich im oberen Totpunkt befand.
Damit kann eine Synchronisation, d. h. die Zylinderzuordnung zum
Kurbelwellensignal erfolgen.
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Da
die Lage aller Zylinder bezüglich
des Kurbelwellensignales bekannt ist, wird bei dem aus der
DE 40 40 828 A1 bekannten
Steuersystem für
eine Brennkraftmaschine davon ausgegangen, daß in dem Fall, in dem die Einspritzung
nicht zu einem Drehzahlanstieg bzw. einer Drehzahlbeschleunigung führt, die
Einspritzung in einen falschen Zylinder erfolgt sein muß. Es wird
dann ebenfalls eine Synchronisation durchgeführt, wobei die Synchronisation
in diesem Fall einfach um 360°KW
verschoben wird.
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Die
DE 41 22 786 A1 zeigt
ein Verfahren zur Identifikation des einem Zünd- oder Einspritzvorgang zugeordneten
Drehwinkels einer Brennkraftmaschine. Hierzu werden Zünd- bzw.
Einspritzvorgänge
initiiert und als Reaktion der Maschine die Laufruhe oder das Anspringen
der Maschine analysiert. Bleibt die erwartete Reaktion der Maschine
aus, so wird der Drehwinkel, bei dessen zweiten Erreichen ein Zündvorgang
initiiert wird, um 360 Grad verschoben.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, zu einer zuverlässigeren
Synchronisation zu gelangen, die jedoch den Motor durch „falsche" Probeeinspritzung
so wenig wie möglich
belastet.
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch die folgenden beiden Merkmale gelöst:
- 1. Gemäß der Erfindung
wird eine endgültige
Synchronisation immer durch einen Drehzahlanstieg, der durch die
Probeeinspritzung bewirkt wurde, verifiziert.
- 2. Erfindungsgemäß wird bei
nicht erkannter Drehzahlerhöhung
eine mit einer neuen, um einen vorgebbaren Winkel verschobenen vorläufigen Synchronisation
berechneten weiteren Probeeinspritzung solange wiederholt, bis die
Synchronisation durch eine Drehzahlerhöhung verifiziert wird oder
eine vorgebbare erlaubte Anzahl von Probeeinspritzungen erreicht
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß es gegenüber der
bekannten Lösung
noch zuverlässiger
ist und Fehlsynchronisationen mit noch größerer Sicherheit verhindert.
Erzielt werden diese Vorteile, indem, nach der Erkennung der Bezugsmarke
des Kurbelwellensignales, zunächst
eine erste Probeeinspritzung in einen bzw. für einen Zylinder erfolgt, der sich
vermutlich im oberen Totpunkt befindet. Ergibt sich nach der Probeeinspritzung
ein Drehzahlanstieg bzw. eine Drehzahlbeschleunigung, erfolgt die
Synchronisation, also die Zylinderzuordnung zum Kurbelwellensignal.
Ergibt sich kein Drehzahlanstieg bzw. keine Drehzahlbeschleunigung,
wird eine weitere vorläufige
Synchronisation, die um 360° verschoben
ist, vorgenommen. Es wird dann eine weitere Probeeinspritzung für einen
Zylinder durchgeführt, der
dann vermutlich im oberen Totpunkt ist. Daraufhin wird wieder überprüft, ob sich
eine Drehzahlerhöhung
einstellt. Falls dies der Fall ist, erfolgt die endgültige Synchronisation.
Falls wieder kein Drehzahlanstieg zu erkennen ist, wird davon ausgegangen, daß sich wieder
keine Verbrennung eingestellt hat und das Verfahren wird solange
wiederholt, bis die Synchronisation gefunden wird oder eine vorgebbare erlaubte
Anzahl von Probeeinspritzungen erreicht wurde.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
stellt sicher, daß auch
in dem Fall, in dem eine Einspritzung zum richtigen Zeitpunkt bzw.
beim richtigen Kurbelwellenwinkel nicht zu einer Zündung bzw.
Verbrennung führt,
keine Fehlsynchronisation ausgelöst
wird. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei tiefen
Temperaturen, bei denen eine an sich korrekte Einspritzung nicht
zur Zündung
führt,
eingesetzt werden. Die Probeeinspritzungen werden vorteilhafter
Weise nicht immer für
den gleichen Zylinder ausgelöst,
um diesen nicht übermäßig zu belasten. Außerdem wird
dadurch in vorteilhaftere Weise vermieden, daß einem Zylinder zu große Kraftstoffmengen
zugeführt
werden. Die Abfolge der Probeeinspritzungen sollte vorteilhafterweise
nicht immer beim selben Zylinder beginnen. Vorteilhafterweise wird
die redundante Synchronisationssuche bei jedem Neustart mit einem
anderen Zylinder beginnen, wobei auch berücksichtigt werden kann, daß in manchen Zylindern
die Zündfähigkeit
gegenüber
anderen Zylindern verringert ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird in besonders vorteilhafter Weise bei einer Brennkraftmaschine
mit Kurbel- und Nockenwellengeber eingesetzt, falls der Nockenwellengeber
ausfällt.
Mit diesem Verfahren kann jedoch auch der Nockenwellengeber ganz
entfallen und die Synchronisation grundsätzlich durch Verknüpfung des
Kurbelwellensignales und der Ergebnisse der Probezumessung erfolgen.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigt 1 eine grobe Übersicht über die
Anordnung von Kurbel- bzw. Nockenwellen samt den zugehörigen Sensoren
und dem Steuergerät,
in dem die für
die Regelung der Brennkraftmaschine erforderlichen Berechnungen
ablaufen. 2 zeigt verschiedene Signalverläufe über den
Kurbelwellenwinkel und 3 ein Flußdiagramm, das die wesentlichen
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
aufzeigt.
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In 1 sind
die zur Erläuterung
der Erfindung erforderlichen Bestandteile einer Brennkraftmaschine
beispielhaft dargestellt. Dabei ist mit 10 eine Geberscheibe
bezeichnet, die starr mit der Kurbelwelle 11 der Brennkraftmaschine
verbunden ist und an ihrem Umfang eine Vielzahl gleichartiger Winkelmarken 12 aufweist.
Neben diesen gleichartigen Winkelmarken 12 ist eine Referenzmarke 13 vorgesehen,
die beispielsweise durch zwei fehlende Winkelmarken realisiert ist.
Die Zahl der gleichartigen Winkelmarken 12 beträgt beispielsweise
58 (60-2).
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Eine
zweite Geberscheibe 14 ist mit der Nockenwelle 15 der
Brennkraftmaschine verbunden und weist an ihrem Umfang wenigstens
eine Winkelmarke 16 auf, mit der die Phasenlage der Brennkraftmaschine
bestimmbar ist. Mit 17 ist die zwischen der Kurbelwelle 11 und
der Nockenwelle 15 bestehende Verbindung symbolisiert.
Die Kurbelwelle dreht sich bekanntermaßen doppelt so schnell wie
die Nockenwelle. Ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine erstreckt
sich somit über
eine Nockenwellenumdrehung oder zwei Kurbelwellenumdrehungen.
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Die
dargestellte Ausgestaltung der mit der Kurbelwelle 11 bzw.
der Nockenwelle 15 verbundenen Geberscheiben 10, 14 ist
beispielhaft und kann durch wählbare
andere Ausgestaltungen ersetzt werden. Insbesonders kann die Zahl
der Winkelmarken 16 der Geberscheibe 14 oder die
Zahl der Referenzmarken 13 an die Zylinderzahl der Brennkraftmaschine
angepaßt
sein. Die Erfindung ist bei verschiedenartigen Brennkraftmaschinen
(z. B. Dieselmotoren und Benzinmotoren) einsetzbar.
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Die
beiden Geberscheiben 10, 14 werden von Aufnehmern 18, 19,
beispielsweise induktiven Aufnehmern oder Hall-Sensoren abgetastet,
die beim Vorbeilaufen der Winkelmarken in den Aufnehmern entstehenden
Spannungen werden einem Steuergerät 20 zugeführt, wobei
diese Spannungen entweder im Sensor oder im Steuergerät in Rechtecksignale
gewandelt werden, deren Anstiegsflanken z. B. dem Beginn einer Winkelmarke
und deren abfallende Flanken dem Ende einer Winkelmarke entsprechen.
Diese Signale bzw. die zeitlichen Abfolgen der einzelnen Impulse
werden im Steuergerät 20 weiterverarbeitet.
Geberscheibe und Aufnehmer werden üblicherweise als Geber bezeichnet.
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Das
Steuergerät 20 erhält über verschiedene Eingänge weitere,
für die
Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine erforderliche Eingangsgrößen, die
von entsprechenden Sensoren 21, 22, 23 gemessen
werden. Beispielsweise kann der Sensor 21 ein Temperatursensor,
der die Motortemperatur mißt,
sein.
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Über den
Eingang 24 wird dem Steuersignal das Startsignal zugeführt, das
beim Schließen
des Anlassers von der Klemme Kl. 15 des Zündschlosses 25 geliefert
wird.
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Ausgangsseitig
stellt das Steuergerät 20, das
wenigstens einen Mikroprozessor 30 sowie dazugehörige Speichermittel
umfaßt,
Signale für
die Einspritzung für
nicht näher
bezeichnet entsprechende Komponenten der Brennkraftmaschine, beispielsweise
eines Dieselmotors zur Verfügung.
Diese Signale werden über
die Ausgänge 26 und 27 des
Steuergerätes 20 abgegeben.
Die Spannungsversorgung für
das Steuergerät 20 erfolgt
in üblicher
Weise mit Hilfe einer Batterie 28, die über den Schalter 29 während des
Betriebes der Brennkraftmaschine mit dem Steuergerät 20 in
Verbindung steht.
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Mit
der in 1 beschriebenen Einrichtung kann die Stellung
der Kurbelwelle 11 und der Nockenwelle 15 während des
Betriebes der Brennkraftmaschine jederzeit erfaßt werden. Da die Zuordnung zwischen
Kurbelwelle 11 und Nockenwelle 15 ebenso bekannt
ist, wie die Zuordnung zwischen der Winkellage der Nockenwelle 15 und
der Lage der einzelnen Zylinder, kann nach dem Erkennen der Bezugsmarke
eine Synchronisation erfolgen und nach der erfolgten Synchronisation
in bekannter Weise die Regelung der Brennkraftmaschine bzw. die
Regelung der Einspritzung erfolgen.
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Zur
Erkennung der Winkellagen von Kurbelwelle 11 und Nockenwelle 15 werden
die in 2a und 2b dargestellten
Signalverläufe
Spannungen U1, U2) über
dem Kurbelwellenwinkel [°KW3] ausgewertet.
Die Bezugsmarke 13 der Kurbelwellenscheibe 10 wird
erkannt, wenn der Mikroprozessor 30 des Steuergerätes 20 wenigstens
erkannt hat, daß der
Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Rückflanken R2 und R3 sich signifikant
vom Abstand anderer Rückflanken
R1 und R2 bzw. R3 und R4 des Signales nach 2a unterscheidet.
Zum Zeitpunkt des Auftretens der Rückflanke R3 wird dann ein Synchronisationsimpuls
SI (Spannung U3) gebildet, der die Lage der Bezugsmarke 13 der
Kurbelwellenscheibe 10 repräsentiert.
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Bei
einem voll funktionsfähigen
System mit Kurbelwellengeber und Nockenwellengeber wird zusätzlich noch
ein vom Nockenwellengeber (Aufnehmer 19) erzeugter Impuls
erhalten, der in 2b dargestellt ist. Da sich
die Nockenwelle pro Arbeitsspiel nur einmal dreht, ist dieser Impuls
bzw. die Rückflanke
R5 dieses Impulses geeignet, eine eindeutige Synchronisation durchzuführen. Es
läßt sich
also an Hand dieses Impulses festlegen, in welcher Umdrehung sich
die Kurbelwelle gerade befindet.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
soll jedoch entweder bei einem Defekt des Nockenwellengebers, also
wenn das in 2b dargestellte Signal nicht
auftritt oder bei einer einfachen Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
die völlig
ohne Nockenwellengeber auskommt, allein aus dem in 2a dargestellten
mehrdeutigen Kurbelwellengebersignal eine Synchronisation durchgeführt werden. Dazu
wertet der Mikroprozessor 30 des Steuergerätes 20 Zeitabstände zwischen
vorgebbaren Impulsen des Kurbelwellengebersignales aus beispielsweise zwischen
den Rückflanken
R1 und R2 und ermittelt aus solchen Zeitabständen, die umgekehrt proportional
zur Drehzahl sind, die Drehzahl der Kurbelwelle. Für die Bestimmung
der Drehzahl können
geeignete Signalflanken herangezogen werden, wobei im Bereich der
Lücke (Bezugsmarke)
eine spezielle Auswertung erforderlich ist.
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Aus
dieser üblicherweise
ohnehin ablaufenden Drehzahlerfassung und dem Kurbelwellengebersignal
wird gemäß dem in 3 dargestellten
Verfahren synchronisiert. Dazu wird im Schritt S1 anhand eines vorgebbaren
Kriteriums ermittelt, ob der Nockenwellengeber defekt ist oder nicht.
Wird im Schritt S1 festgestellt, daß vom Aufnehmer 19 eine plausibles
Signal zum Steuergerät 20 gelangt,
wird im Schritt S2 die übliche
Synchronisation unter Verwendung des Nockenwellen- und des Kurbelwellengebersignales
durchgeführt.
Wird dagegen im Schritt S1 erkannt, daß der Nockenwellengeber defekt
ist bzw. das vom Aufnehmer 19 gelieferte Signal nicht plausibel,
wird im Schritt S3 ein Notlauf eingeleitet. Im Schritt S4 wird dabei
geprüft,
ob die Bezugsmarke der Kurbelwellenscheibe, gemäß 1 also die
Lücke 13 erkannt
wurde. Zu dieser Erkennung werden im Steuergerät 20 beispielsweise
die Rückflanken des
Kurbelwellensignals nach 2a miteinander verglichen
und die Lücke
wird erkannt, wenn beispielsweise der Abstand zwischen den Signalflanken R2
und R3 signifikant größer ist
als der Abstand zwischen R1 und R2 und/oder R3 und R4. Wird in Schritt S4
auf Lücke
erkannt, wird im Schritt S5 eine vorläufige Synchronisation vorgenommen
und beispielsweise der Impuls S1 in 2c abgegeben.
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Nach
der vorläufigen
Synchronisation im Schritt S5 wird noch eine applizierbare, also
vorgebbare Wartezeit abgewartet, die im Schritt S6 dargestellt ist.
Nach Ablauf dieser applizierbaren Wartezeit wird mit der vorläufigen Synchronisation
begonnen, die mit der in S7 aufgezeigten Einspritzung am oberen
Totpunkt oder 360° KW
gegenüber
dem oberen Totpunkt versetzt beginnt. Für diese Einspritzung wählt das
Steuergerät
den Zylinder aus, der auf Grund der baulichen Gegebenheit sich im
oberen Totpunkt befinden sollte. Führt die Einspritzung zur einer
Zündung
des Kraftstoffes, muß dies
zu einem Anstieg der Drehzahl bzw. zur einer Drehzahlbeschleunigung
führen,
die vom Steuergerät 20 über die
Auswertung der Drehzahl ermittelt werden kann. Wird im Schritt S8
diese Drehzahlerhöhung
erkannt, kann die vorläufige
Synchronisation in eine endgültige Synchronisation
umgewandelt werden. Im Schritt S9 findet die Synchronisation statt
und die Brennkraftmaschine wird anschließend in der üblichen
Weise geregelt.
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Wird
dagegen im Schritt S8 dagegen keine Drehzahlerhöhung erkannt, wurde in den
falschen Zylinder eingespritzt. Die vorläufige Synchronisation wird
dann um 360° KW
verändert
(Schritt S12) und es wird wiederum versucht beim oberen Totpunkt
eines Zylinders eine Einspritzung abzusetzen. Die Schritte S7 und
S8 werden also solange wiederholt, bis die Synchronisation gefunden
wurde und die Drehzahlerhöhung
registriert wird. Durch diese Vorgehensweise wird sichergestellt,
daß eine
Synchronisation auch dann noch möglich
ist, wenn eine Einspritzung zum korrekten Winkel (im Hautre) nicht
zur einer Zündung
führt.
Falls eine vorgebbare Anzahl von Einspritzungen nach vorläufigen Synchronisationen
erreicht wird, wird im Schritt S10 jede weitere Einspritzung unterbrochen,
im Schritt S11 wird dann der Versuch der redundanten Synchronisationssuche
mit dem Kurbelwellensignal unterbrochen.
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Damit
die Einspritzungen nicht immer beim gleichen Zylinder stattfinden,
kann das in 3 dargestellte Verfahren noch
ergänzt
werden, in dem Verschiebungen der Einspritzungen um andere Winkel als
360° durchgeführt werden,
wobei die Verschiebungen wiederum so zu wählen sind, daß sich der ausgewählte Zylinder
in der Nähe
seines oberen Totpunktes befindet. Die Abfolge der Einspritzungen
bei verschiedenen Zylinderzahlen mit der redundanten Synchronisationssuche
ist somit applizierbar und sollte so gestaltet sein, daß in jedem
Zylinder im Laufe der Synchronisationssuche eingespritzt wird. Mögliche Abfolgen
beim Vier-Zylinder sind beispielsweise erster Zylinder, vierter
Zylinder, dritter Zylinder, zweiter Zylinder. Bei der Auswertung
kann das Steuergerät
grundsätzlich
weitere abgespeicherte Informationen, beispielsweise über die
Zündwilligkeit
verschiedener Zylinder mit berücksichtigen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist prinzipiell für
selbstzündende
Brennkraftmaschinen und fremdgezündete
Brennkraftmaschinen geeignet, wobei bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
neben den Einspritzungen auch noch angepaßte Zündungen ausgelöst werden
müssen.