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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Unterdrückung von Torsionsschwingungen der Kurbelwelle eines Dieselmotors.
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Aus EP-A-227058 ist bekannt, wie die Eispritzzeit eines Dieselmotors als
Funktion der Drehzahl gesteuert werden kann. Wie in Fig. 8 gezeigt, wird die
Einspritzvorrichtung (7) eines konventionellen Dieselmotors durch einen Nocken (6)
und eine Laufrolle (5) angetrieben. Die Einspritzvorrichtung (7) ist so gestaltet, daß
sie in jeden der Zylinder gleichzeitig und in gleicher zeitlicher Abfolge Treibstoff
einspritzt.
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Die Unterdrückung der Resonanzbelastung durch Torsionsschwingungen in
einem Kurbelwellensystem eines Dieselmotors mit einer herkömmlichen
Einspritzvorrichtung wird durch eine Änderung der Länge und/oder des Durchmessers des
Kurbelwellensystems, durch Anbringen einer Zusatzmasse oder durch Installation
eines Torsionsschwingungsdämpfers erreicht. So tritt beispielsweise bei der
Sechszylinder-Dieselmaschine eines Schiffes, wie in Fig. 4 dargestellt, im normalem
Betriebsbereich ein sechsstufiger Einknoten-Resonanzpunkt (16) der
Torsionsschwingung auf. Dementsprechend ergibt sich ein beim Betrieb relativ großer zu
vermeidender Bereich. Aufgrund des für die Betriebsfähigkeit eingeschränkten
Drehhzahlbereichs ist folglich die Steuerung kompliziert. Die Unterdrückung der
sechsstufigen Einknoten-Resonanzbelastung erfolgt, indem der Durchmesser der
Welle extrem groß gewählt wird, um so den Resonanzpunkt im Bereich der hohen
Drehzahlen zu vergrößern, indem extrem große Zusatzmassen an das Ende der
Maschine befestigt werden, um den Resonanzpunkt bei niedrigen Drehzahlen zu
verringern, oder indem ein kostenaufwendiger Torsionsschwingungsdämpfer
angewendet wird. Das bedeutet, daß eine aufwendige und kostspielige
Konstruktionsänderung erforderlich ist.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung
zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen der Kurbelwelle eines Dieselmotors,
die in der Lage ist, durch bloßes Einstellung eines Einspritzsystems die
Resonanzpunktbelastung zu unterdrücken.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale erfüllt.
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Mit der Vorrichtung zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen der
Kurbelwelle eines Dieselmotors wird die Zeit der Kraftstoffeinspritzung und die
Einspritzhäufigkeit (Einspritzmenge) für jeden Zylinder in der Umgebung eines
Resonanzpunkts der Torsionsschwingung genau eingestellt. Außerdem wird die
charakteristische Druckkurve im Zylinder im Verhältnis zum Kurbelwinkel verändert, um die
Größenordnung der harmonischen Teilschwingungen (12 und 13) der
Resonanzfolge
des für jeden Zylinder zusätzlich wirkenden Drehmoments zu reduzieren, oder
es werden die Phasendifferenzen (14 und 15) der harmonischen Teilschwingungen
für jeden Zylinder eingestellt und die Resonanzbelastung unterdrückt, um damit die
äußere Kraft für den Schwingungsmodus aufzuheben.
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Insbesondere werden durch die im folgenden beschriebene Vorrichtung die
beim bisherigen Stand der Technik auftretenden Probleme gelöst:
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Eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen der
Kurbelwelle eines Dieselmotors mit einem Einspritzmechanismus zur freien Einstellung des
Zeitpunkts und der Häufigkeit der Treibstoffeinspritzung, bestehend aus einem
Detektor zur Erfassung der Motordrehzahl und einer Einstellungseinrichtung für den
Einspritzmechanismus, deren Aufgabe es ist festzustellen, ob der erfaßte Wert
innerhalb eines Bereichs in der Umgebung des Resonanzpunkts der
Torsionsschwingung eines Kurbelwellensystems liegt oder nicht, sowie Zeitpunkt und Häufigkeit der
Treibstoffeinspritzung um einen bestimmten Wert zu ändern, falls der erfaßte Wert
innerhalb des Bereichs liegt.
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Ein wesentliches, der vorliegenden Erfindung zugrunde liegendes Prinzip wird
im folgenden beschrieben:
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Die Größe der Belastung im Resonanzpunkt der Torsionsschwingung des
Dieseslmotors verhält sich proportional zur Größe der geometrischen Summe aus
der harmonischen Teilschwingungen (12 und 13) der Resonanzfolge des für jeden
Zylinder wirkenden Drehmoments. Dementsprechend kann, wenn der Wert der
harmonischen Teilschwingungen (12 und 13) der Resonanzfolge sowie der Wert der
geometrischen Summe bei Resonanz reduziert werden, die Resonanzbelastung
unterdrückt werden.
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Zeitpunkt und Häufigkeit der Kraftstoffeinspritzung werden verändert, bis die
charakteristischen Kurven 8 und 9 des Zylinderdrucks für jeden Zylinder genau so
verlaufen, daß die harmonischen Teilschwingungen des für jeden Zylinder
wirkenden Drehmoments verringert werden und die geometrische Summe verkleinert wird,
um die Resonanzbelastung zu reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung hat folgende Auswirkungen:
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Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, die Teilschwingungen des
Erregungsdrehmoments in der Umgebung des Resonanzpunktes der
Torsionsschwingung der Kurbelwelle zu reduzieren, indem die Häufigkeit der
Kraftstoffeinspritzung in den Dieselmotor modifiziert wird. Da die zusätzliche Belastung durch die
Resonanz in der Umgebung des Resonanzpunkts reduziert wird, ergibt sich ein nur
schmaler beim Betrieb zu vermeidender Bereich, der nötigenfalls sogar ganz
unterdrückt werden kann. Darüber hinaus kann die Resonanzunterdrückung mit
Verwendung
eines Torsionsschwingungsdämpfers beeinflußt werden, indem lediglich das
Treibstoffeinspritzsystem eingestellt wird.
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Da die Resonanzunterdrückung nach dieser Methode von der Reduzierung
der Erregungskraft abhängt, treten die Wirkungen nicht nur für einen Knoten auf,
sondern für alle Schwingungsmodi, beispielsweise für zwei Knoten.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Unterdrückung von
Torsionsschwingungen der Kurbelwelle eines Dieselmotors entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2(a) ist ein Diagramm einer charakteristischen Druckkurve in einem
Zylinder in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel;
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Fig. 2(b) zeigt den schematischen Aufbau eines Kurbelwellenmechanismus;
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Fig. 3 zeigt die harmonischen Teilschwingungen bei wechselndem
Drehmoment in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel;
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Fig. 4 ist ein Resonanzkurvendiagramm der Zusatzbelastung durch
Torsionsschwingungen in Abhängigkeit von der Drehzahl eines Motors;
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Fig. 5 ist ein Diagramm für den Einknoten-Torsionsamplitudenmodus;
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Fig. 6 zeigt ein Flußschaltbild 1 einer Vorrichtung zur Unterdrückung der
Torsionsschwingung;
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Fig. 7 zeigt ein Flußschaltbild 2 einer Vorrichtung zur Unterdrückung der
Torsionsschwingung und
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Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines üblichen
Kraftstoffeinspritzungssystems.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit sechs
Zylindern werden im folgenden mit Bezug auf die Abbildungen 1 bis 8 detailliert
beschrieben.
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Es folgt die Beschreibung einer ersten Ausführungsform. Die beim Betrieb in
einer Kurbelwelle bei Resonanz der Torsionsschwingungen oder in deren Nähe
auftretende Belastung verhält sich proportional zum Wert einer harmonischen
Teilschwingung der Resonanzfolge eines zusammengesetzten Drehmoments eines
Torsionsschwingungen erzeugenden Motors. In der vorliegenden Erfindung wird die
harmonische Teilschwingung des zusammengesetzten Drehmoments vermindert,
indem die harmonische Teilschwingung der Resonanzfolge des Drehmoments durch
jeden Zylinder reduziert wird, so daß die Belastung bei Resonanz der Kurbelwelle
oder in der Nähe des Resonanzpunkts reduziert wird, um die Resonanz zu
vermeiden.
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In Fig. 1 bezeichnet die Ziffer 26 einen mit der Kurbelwelle eines Motors
verbundenen Detektor, dessen Aufgabe es ist, den Drehwinkel des Motors zu erfassen.
Ziffer 24 bezeichnet eine Vorrichtung zur Zeiteinstellung der Treibstoffeinspritzung,
die mit dem Detektor (26) in Verbindung steht. Ziffer 25 bezeichnet eine
Speichereinheit, die mit der Vorrichtung zur Zeiteinstellung der Treibstoffeinspritzung (24)
verbunden ist. Die Ziffern 23&sub1; bis 23&sub6; bezeichnen die jeweils einem Zylinder
zugeordneten und mit der Vorrichtung zur Zeiteinstellung der Treibstoffeinspritzung (24)
verbundenen Stellglieder. Die Ziffern 22&sub1; bis 22&sub6; bezeichnen Steuerungsventile, die
jeweils mit den Stellgliedern (23&sub1; bis 23&sub6;) verbunden sind. Die Ziffer 4 bezeichnet
eine Treibstoffpumpe, die 3 steht für einen Druckspeicher, mit dem die
Treibstoffpumpe (4) in Verbindung steht. Der Druckspeicher (3) und die Steuerungsventile
(22&sub1; bis 22&sub6;) sind parallel miteinander verbunden.
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Die Ziffern 1&sub1; bis 1&sub6; bezeichnen die Treibstoffeinspritzventile, die sich in je
einem der Zylinderköpfe befinden und in eine Teibstoffkammer führen. Diese
Treibstoffeinspritzventile (1&sub1; bis 1&sub6;) sind jeweils mit den Steuerungsventilen (22&sub1; bis 22&sub6;)
verbunden.
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Es folgt eine Beschreibung der Funktionsweise der ersten Ausführungsform.
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Der Detektor (26) erfaßt den Drehwinkel der Kurbelwelle und den Zeitpunkt,
bei dem der erste Zylinder sich am oberen Totpunkt befindet, als Ausgangsgröße
zur Erzeugung eines Signals. Die Vorrichtung zur Zeiteinstellung der
Treibstoffeinspritzung (24) empfängt das Signal des Detektors (26) und berechnet die
Drehgeschwindigkeit des Motors entsprechend dem Flußdiagramm 1 der Vorrichtung zur
Unterdrückung von Torsionsschwingungen von Fig. 6. Ob die Drehgeschwindigkeit
im Resonanzbereich der Torsionsschwingungen liegt oder nicht, wird auf der Basis
der in der Speichereinheit (25) enthaltenen Daten eingeschätzt, die mit der
Vorrichtung zur Zeiteinstellung der Treibstoffeinspritzung (24) verbunden ist. Wenn die
Drehgeschwindigkeit nicht in diesem Bereich liegt, wird die Treibstoffeinspritzung für
den Normalbetrieb jedes einzelnen Zylinders eingestellt und das Signal an jedes der
Stellglieder (23&sub1; bis 23&sub6;) geschickt. Damit werden die Stellglieder (23&sub1; bis 23&sub6;)
aktiviert, die wiederum die Steuerungsventile (22&sub1; bis 22&sub6;) betätigen, so daß die
Treibstoffeinspritzventile (1&sub1; bis 1&sub6;) den komprimierten Treibstoff, der sich im
Druckspeicher (3) befindet, in die Verbrennungskammern der Zylinder einspritzen.
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Wenn die Vorrichtung zur Zeiteinstellung der Treibstoffeinspritzung (24)
dagegen feststellt, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle innerhalb des
Resonanzbereichs der Torsionsschwingungen liegt, legt die Vorrichtung (24) auf der
Basis der in der Speichereinheit (25) enthaltenen Daten für alle Zylinder einen
einheitlichen Verzögerungsbetrag für die Zeitsteuerung der Treibstoffeinspritzung und
einen Verlängerungsbetrag für die Einspritzhäufigkeit fest, um eine
Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrads und einen erhöhten Treibstoffverbrauch zu
verhindern, und es werden Signale an die Stellglieder (23&sub1; bis 23&sub6;) gesendet. Damit
werden die Stellglieder (23&sub1; bis 23&sub6;) aktiviert, die wiederum die Steuerungsventile
(22&sub1; bis 22&sub6;) betätigen, so daß die Treibstoffeinspritzventile (1&sub1; bis 1&sub6;) eine
einheitlich modifizierte Einspritzung vornehmen. Danach werden die oben
beschriebenen Operationen wiederholt.
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Wenn die Drehgeschwindigkeit des Motors aus dem Resonanzbereich der
Torsionsschwingungen fällt, kann die Vorrichtung zur Zeiteinstellung der
Treibstoffeinspritzung (24) feststellen, daß die Geschwindigkeit nicht im Resonanzbereich der
Torsionsschwingungen liegt und dementsprechend die Werte für die Einspritzung
wie oben beschrieben wieder auf ihre Normalwerte zurücksetzen.
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Der Aufbau einer zweiten Ausführungsform weicht von der oben
beschriebenen Ausführungsform nur hinsichtlich des Inhalts der Speichereinheit ab, und es
wird auf eine getrennte Beschreibung dieses Aufbaus verzichtet.
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Es folgt eine Beschreibung der Funktionsweise der zweiten Ausführungsform.
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Die sechsstufige harmonische Teilschwingung der Torsionsschwingung einer
Kurbelwelle eines Sechszylinder-Serienmotors tritt in Resonanz mit der Einknoten-
Schwingung innerhalb des Betriebsbereichs. Der Resonanzzustand wird in der
Resonanzkurve der Fig. 4 durch die Ziffer 16 markiert. In dieser Fig. 4 kennzeichnet
die Ziffer 18 einen beim Betrieb zu vermeidenden Bereich.
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Für die Resonanz gibt es folgende Gründe:
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Im normalen Betriebszustand ist der Prozeß der Treibstoffeinspritzung für alle
Zylinder relativ identisch. Dementsprechend sind die charakteristische Druckkurve
im Zylinder in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel der Zylinder, die harmonische
Teilschwingung des durch die Zylinder auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoments
sowie die Phasenlage vom oberen Totpunkt der Zylinder identisch. Im Diagramm der
harmonischen Teilschwingungen in Fig. 3 kennzeichnet die Ziffer 12 die
sechsstufige harmonische Teilschwingung des durch einen Zylinder auf die Kurbelwelle
wirkenden Drehmoments bei normalem Betrieb, und Ziffer 14 bezeichnet eine Phase
vom oberen Totpunkt. Da bei einem Sechszylinder-Serienmotor die Zündung in
regelmäßigen Abständen erfolgt, ist auch die Phasenlage der sechsstufigen
harmonischen Teilschwingung des durch die Zylinder auf die Kurbelwelle wirkenden
Drehmoments identisch. Der Modus der Einknoten-Torsionsschwingung wird durch
die Ziffer 20 der Fig. 5 gekennzeichnet, in welcher der Modus der Einknoten-
Torsionsschwingung darstellt wird. Da die spezifischen Amplituden (21) in den
einzelnen Positionen des Zylinders die gleiche Richtung aufweisen, trägt die
Drehmoment-Teilschwingung der gleichen sechsstufigen Phase stark zur Bildung
von Schwingungen bei.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird der Prozeß der Treibstoffeinspritzung bei
drei der sechs Zylinder verändert, und die in der charakteristischen Kurve in Fig. 2
gezeigte Kurve 8 wird zur Kurve 9, die in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie
dargestellt ist. Damit wird die sechsstufige harmonische Teilschwingung des
Kurbelwellendrehmoments so geändert, wie das im Diagramm der harmonischen
Teilschwingungen in Fig. 3 durch die Ziffer 13 dargestellt wird. Und wie aus Fig. 3 ersichtlich
wird, erfolgt eine Phasenverschiebung für den oberen Totpunkt um einen Winkel
von 30 im Verhältnis zu der durch Ziffer 14 in Fig. 3 bezeichneten Phasenlage, um
die Phasenlage umzukehren, wie das durch die Ziffer 15 in Fig. 3 gezeigt wird.
Demzufolge kann das durch die sechs Zylinder auf die Kurbelwelle wirkende
Drehmoment für den Einknoten-Torsionsschwingungsmodus gegeneinander aufgehoben
werden, um die Amplitude im Resonanzzustand zu vermindern. Das wird durch die
Ziffer 17 des Resonanzkurvendiagramms in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 benennt die
Ziffer 19 einen Bereich, in dem der Betrieb für die vorliegende Ausführungsform
vermieden werden muß, wobei dieser Bereich wesentlich schmaler als beim
bekannten Stand der Technik ausfällt.
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Die eigentliche Steuerung der Phasenlage wird im folgenden beschrieben.
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Der Detektor (26) erfaßt den Drehwinkel der Kurbelwelle und den Zeitpunkt,
bei dem der erste Zylinder sich am oberen Totpunkt befindet, als Ausgangsgröße
zur Erzeugung des Signals. Die Vorrichtung zur Zeiteinstellung der
Treibstoffeinspritzung (24) berechnet die Drehgeschwindigkeit des Motors entsprechend dem
Flußdiagramm 2, das die Funktionsweise der Vorrichtung zur Unterdrückung von
Torsionsschwingungen von Fig. 7 zeigt. Danach wird auf der Basis der in der
Speichereinheit (25) enthaltenen Daten eingeschätzt, ob die Drehgeschwindigkeit im
Resonanzbereich der Torsionsschwingungen liegt oder nicht. Wenn die
Drehgeschwindigkeit nicht in diesem Bereich liegt, laufen die gleichen Steuerungsprozesse
ab wie bei der ersten Ausführungsform. Wird dagegen festgestellt, daß die
Drehgeschwindigkeit im Resonanzbereich der Torsionsschwingungen liegt, bleibt die
Einspritzung für drei der insgesamt sechs Zylinder normal, wogegen bei den restlichen
drei Zylindern die Einspritzhäufigkeit auf der Basis der Speichereinheit (25) so
eingestellt wird, daß sich für die drei Zylinder eine gleiche Verzögerung um etwa 30
ergibt, und ein Signal an die den drei Zylindern zugeordneten Stellgliedern (23)
gesendet wird. Damit werden die Stellglieder (23) aktiviert und betätigen die
Steuerungsventile (22), so daß die Einspritzventile die modifizierte Einspritzung
vornehmen können. Danach werden die oben beschriebenen Operationen wiederholt.
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Wenn die Drehgeschwindigkeit des Motors aus dem Resonanzbereich der
Torsionsschwingungen fällt, erkennt die Vorrichtung zur Zeiteinstellung der
Treibstoffeinspritzung
(24) das stellt die Werte für die Einspritzung wieder auf ihre
Normalwerte zurück.
BESCHRIFTUNG DER ABBILDUNGEN
Abbildung 6
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A MOTORDREHWINKEL UND ZEIT ERFASSEN
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B MOTOR-DREHGESCHWINDIGKEIT BERECHNEN
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C IM RESONANZBEREICH DER TORSIONSSCHWINGUNG
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D JA
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E VERZÖGERUNG FÜR EINSPRITZZEIT EINSTELLEN
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F EINSPRITZHÄUFIGKEIT DER ZYLINDER EINSTELLEN
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G STELLGLIEDER DER ZYLINDER BETÄTIGEN
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H STEUERUNGSVENTILE BETÄTIGEN
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I MODIFIZIERTE EINSPRITZUNG DER TREIBSTOFF-EINSPRITZVENTILE
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J NEIN
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K EINSPRITZZEIT UND HÄUFIGKEIT AUF NORMALBETRIEB DER ZYLINDER EINSTELLEN
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L STELLGLIEDER DER EINSPRITZVORRICHTUNG DER ZYLINDER BETÄTIGEN
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M STEUERUNGSVENTILE BETÄTIGEN
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N NORMALE EINSPRITZUNG DER EINSPRITZVORRICHTUNGEN
Abbildung 7
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O MOTORDREHWINKEL UND ZEIT ERFASSEN
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P MOTOR-DREHGESCHWINDIGKEIT BERECHNEN
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Q IM RESONANZBEREICH DER TORSIONSSCHWINGUNG
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R JA
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S WERTE FÜR EINSPRITZZEIT UND HÄUFIGKEIT FÜR DREI ZYLINDER ÄNDERN
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T EINSPRITZHÄUFIGKEIT DER ZYLINDER EINSTELLEN
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U STELLGLIEDER DER ZYLINDER BETÄTIGEN
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V STEUERUNGSVENTILE BETÄTIGEN
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W MODIFIZIERTE EINSPRITZUNG DER TREIBSTOFF-EINSPRITZVENTILE
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X NEIN
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Y EINSPRITZZEIT UND HÄUFIGKEIT AUF NORMALBETRIEB DER ZYLINDER EINSTELLEN
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Z STELLGLIEDER DER EINSPRITZVORRICHTUNG DER ZYLINDER BETÄTIGEN
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AA STEUERUNGSVENTILE BETÄTIGEN
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BB NORMALE EINSPRITZUNG DER EINSPRITZVORRICHTUNGEN