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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren und einen Viertakt-Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff
der Patentansprüche
1 bzw. 3 (vgl. mit DE-A-41 43 053 und SE-B-46 77 03).
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Stand der
Technik
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Viertakt-Dieselmotoren mit mehreren
Zylindern werden üblicherweise
mit einer Kraftstoffeinspritrpumpe ausgerüstet, die über einen Satz Zahnräder mit
der Kurbelwelle des Motors mechanisch verbunden ist, von der die
Pumpe ihren Antrieb erfährt.
Die Kraftstoffeinspritrpumpe pumpt Kraftstoff unter hohem Druck über mehrere
Leitungen zu den Einspritröffnungen
jedes Zylinders. Während
der Motorherstellung werden der Motor und die Kraftstoffeinspritrpumpe
so synchronisiert, daß eine
Einspritzung im richtigen Zylinder zur rechten Zeit stattfinden kann
und dadurch eine korrekte Kraftstoffeinspritrsequenz erzielt wird.
Die Entwicklung von Kraftstoffeinspritrern hat dazu geführt, daß es heutzutage
Bauarten gibt, die aus einem Einspritrer mit einer mehr oder weniger
integrierten Pumpe bestehen. Es gibt Ausführungsformen, bei denen die
Pumpe und der Einspritrer in einer einzigen Einheit vollintegriert
sind, und es gibt andere Ausführungsformen,
bei denen diese Einheiten nicht in einer einzigen Einheit vollintegriert
sind, sondern statt dessen jeder Kraftstoffeinspritrer von einem
separaten Pumpelement in der Umgebung der Einspritröffnung versorgt
wird. Diese neuen Bauarten eines Kraftstoffeinspritrers machen es
möglich,
die Kraftstoffeinspritrung in jedem Zylinder erheblich genauer als
früher
einzustellen. Diesen neuen Bauarten eines Kraftstoffeinspritrers
fehlt jedoch jegliche mechanische Kopplung zwischen der Kraftstoffeinspritrpumpe
und der Kurbelwelle des Motors, wie sie herkömmlicherweise benutzt wurde. Dies
bedeutet, daß die
Synchronisierung der Kraftstoffeinspritrer und der Kurbelwelle,
die die Stellung der Kolben in den Zylindern des Motors bestimmt,
in unterschiedlicher Weise bestimmt werden muß. Diese moderneren Motoren
enthalten gewöhnlich
einen Sensor auf der Kurbelwelle und einen Sensor auf der Nockenwelle
des Motors. Der Kurbelwellensensor wird benutzt, um die Stellung
der Kolben zu bestimmen; diese Sensoren können aber nicht unzweideutig
bestimmen, in welchem Takt ein Zylinder ist. Dies zu bestimmen erfordert
auch einen Sensor auf der Nockenwelle, der unzweifelhaft bestimmt,
in welchen Takten die betreffenden Zylinder des Motors sind. Ein Nachteil
von Nockenwellensensoren ist, daß ihre Auflösungsgenauigkeit erheblich
schlechter als diejenige des Kurbelwellensensors ist. Aus diesen
Gründen
sind Motoren mit diesen Kraftstoffeinspritrsystemen mit einer elektronischen
Steuerung versehen, die das Nockenwellensignal zum Bestimmen der
Arbeitstakte des Motors und den Kurbelwellensensor zum genaueren
Bestimmen, wann die Einspritrung in jeden Zylinder stattfinden soll,
benutzt.
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Ein Problem in dieser Hinsicht ist,
daß beim Anlassen
des Motors die Steuerung nichts darüber weiß, in welchen Stellungen die
Zylinder sind und in welchen Arbeitstakten sie sind. Dies macht
es unmöglich,
eine korrekte Einspritzsequenz zu bestimmen. Die Steuerung muß somit
auf Signale von sowohl dem Kurbelwellensensor als auch dem Nockenwellensensor
warten, bevor eine korrekte Einspritrsequenz endgültig eingerichtet
werden kann. Dies bringt es mit sich, daß der Motor eine verhältnismäßig große Anzahl
von Umdrehungen ausführen
muß.
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Eine Einstellung der Kraftstoffeinspritrung kann
durch eine elektrische Steuerung eines Drosselventils in der Kraftstoffleitung
vom betreffenden Einspritrer erreicht werden. Das Verfahren und
die Anordnungen gemäß einer
bekannten Technik für diese
moderneren Motoren verwenden somit drehzahlanzeigende Signale von
der Nockenwelle des Motors und Signale von der Kurbelwelle des Motors, um
die Verengung oder Sperrung des Entlastungskreises zu steuern, so
daß sie
bei der vorgesehenen Phasenstellung und im Einklang mit einer Aktivierung einer
Einspritrpumpe stattfindet.
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Im Normalbetrieb versorgt folglich
der Motor den Steuerkreis mit zwei drehzahlanzeigenden Signalen,
von denen dasjenige von der Kurbelwelle ein zunehmendes Signal,
eine Impulsfolge, aber mit einer zusätrlichen Phasenstellungsanzeige
pro Umdrehung ist, während
das Nockenwellensignal die Form einer Impulsfolge mit einer Phasenstellungsanzeige pro
Umdrehung der Nockenwelle hat. Die Nockenwellendrehzahl entspricht
jedoch der halben Kurbelwellendrehzahl, so daß ihre Anzeige der Phasenstellung
genutzt werden kann, um die korrekte Phasenstellung für den Viertaktmotor
zu bestimmen, d. h. wenn die zur Nockenwelle gehörende Anzeige der Phasenstellung
festgestellt wird, zeigt sie, in welcher Phase der Viertaktmotor
ist, und im Fall von zwei oder mehr Zylindern wird die Phasenstellung
für jeden
der Motorzylinder mit Hilfe dieser Anzeige dargestellt, solange
die Phasenstellungsanzeige der Nockenwelle durch einen zum Steuerkreis
gehörenden Detektor
festgestellt wird.
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Im Gegensatr dazu gibt das Signal
der Kurbelwelle im Prinzip nur die Stellung des Kolbens im Zylinder
an, ohne zum Beispiel anzeigen zu können, ob der Zylinder in einer
Kompressions- oder einer Ausstoßphase
ist.
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In den Viertakt-Einspritzmotoren,
für die
die vorliegende Erfindung anwendbar ist, wird eine Einspritrung
mit Hilfe einer Einspritrpumpe ausgeführt, die durch eine Nockenwelle
angetrieben wird und mit einer Kraftstoffzufuhrleitung und einem
Entlastungskreis (Rückführkreis)
zum Entfernen von überschüssigem Kraftstoff
verbunden ist. Wenn die Einspritzung aktiviert werden soll, wird
auf die Einspritzpumpe durch ihren zugeordneten Nocken eingewirkt, während gleichzeitig
der Strom durch den Entlastungskreis mit Hilfe eines (in diesem
Kreis befindlichen) Drosselventils beschränkt wird, das vom Steuerkreis
mit einem Signal in der verengenden Richtung versorgt wird, mit
dem kombinierten Ergebnis, daß eine
gewichtete Kraftstoffmenge in den Zylinderraum eingespritzt wird.
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Wenn ein Motor, in dem das herkömmliche Verfahren
verwendet wird, angelassen wird, tritt eine Aktivierung des Steuerkreises,
um ein verengendes Signal abzugeben, nur auf, nachdem geeignete
drehzahlanzeigende Signale von sowohl der Kurbelwelle des Motors
als auch seiner Nockenwelle empfangen worden sind. Erst danach kann
der Steuerkreis aktiviert werden, um im Einklang mit der Einspritrpumpe zu
arbeiten, so daß eine
Einspritrung in den betreffenden Zylinder in der korrekten Phasenstellung
ausgeführt
werden kann.
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Das herkömmliche Verfahren bedeutet
somit, daß die
erste Einspritzung erst nach bis zu zwei Umdrehungen des Motors
stattfinden kann, was aus Energie- und Zeitgesichtspunkten ungünstig ist
und daher einen wesentlichen Nachteil bildet.
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Aus DE-A1-42 30 616 kennt man schon
eine Anordnung zum Registrieren der Phasenstellung für einen
Viertaktmotor mit dem Ziel, ein schnelleres Anlassen des Motors
zu erreichen. Bei dieser bekannten Anordnung wird dies jedoch erreicht,
indem die Stellung der betreffenden Welle in einem zur Steuerung
gehörenden
Speicher gespeichert wird, so daß beim Anlassen des Motors
das System von Anfang an die korrekte Phase für eine Einspritzung kennt. Diese
bekannte Technik ist jedoch kompliziert und daher anfällig für Fehlfunktionen
verschiedener Art. Sie ist auch mit erhöhten Kosten des Steuerkreises verbunden.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind,
die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu eliminieren
und ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die die Anlaßzeit deutlich verkürzen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Diese Aufgaben werden gemäß der Endung durch
ein Verfahren und eine Anordnung der in der Einleitung erwähnten Art
mit den in den Patentansprüchen
1 bzw. 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die Tatsache, daß nur die Signale von der Kurbelwelle
vom Steuerkreis zum Ausführen
der Verengung oder Sperrung des Entlastungskreises verwendet werden
und dies für
jede Umdrehung der Kurbelwelle (und natürlich in der korrekten Stellung des
Kolbens im betreffenden Zylinder) stattfindet, bedeutet, daß eine Verengung
oder Sperrung des Entlastungskreises nicht nur im Einklang mit der
aktivierten Einspritzpumpe, sondern auch eine ganze Umdrehung außer Phase
mit ihrer Aktivierung stattfindet. Da auf die Einspritrpumpe nur
durch ihren Nocken eingewirkt wird, um ihre Pumpfunktion in der korrekten
Phasenstellung des Motors, d. h. in der korrekten Einspritrphase
auszuführen,
wird kein Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt, wenn der Entlastungskreis
im "falschen" Takt verengt oder
gesperrt wird. Die Einspritzpumpe zusammen mit der Verengungs- oder
Sperrfunktion kann insbesondere als eine logische UND-Einheit beschrieben
werden, was bedeutet, daß beide
Bedingungen erfüllt
sein müssen,
damit eine Aktivierung stattfindet, wobei die jeweiligen Bedingungen
hier eine aktivierte Einspritrpumpe und ein verengter oder gesperrter
Entlastungskreis sind.
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Die Erfindung erreicht eine wesentlich
reduzierte Anlaßzeit
für einen
Viertakt-Einspritrmotor,
da die Steuerung vor einem Ingangsetren der Einspritrung und daher
des Anlaßprozesses
des Motors nicht auf das Nockenwellensignal warten muß. Da der Steuerkreis
nur auf das Kurbelwellensignal warten muß, wird statt dessen die durchschnittliche
Zeit bis zur ersten Einspritrung zum Anlassen des Motors im wesentlichen
halbiert. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung dar und ist
mit großen
Vorteilen hinsichtlich des Energieverbrauchs zum Laufenlassen des
Anlassermotors sowie einer merklichen Verringerung der Anlaßzeit und
daher eines schnelleren Anlassens der betreffenden Motoren verbunden.
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Die beigefügten Unteransprüche geben
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung an. Ein Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich darin
auf die Betriebszuverlässigkeit
im Falle eines Ausfalls oder Fehlers des Nockenwellensignals, da
man unter solchen Umständen
den Motor laufen lassen kann, sogar wenn die Steuerung nur ein (korrektes)
Signal von der Kurbelwelle des Motors empfängt. Dieser Gesichtspunkt wird
weiter verbessert, falls die Steuerung dafür eingerichtet ist, die korrekte
Phasenstellung des Motors zu überwachen,
und auf dieser Grundlage der Steuerkreis entweder fortfährt, im
Einklang mit der angenommenen Phasenstellung zu arbeiten, oder die
Zeitsteuerung der Verengung oder Sperrung des Entlastungskreises
um eine Umdrehung der Kurbelwelle ändert.
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Liste der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nun auf der Grundlage
einer Ausführungsform
mit Verweis auf die Zeichnungen erläutert, in denen:
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1 eine
Anordnung gemäß der Erfindung in
Verbindung mit einem Viertakt-Einspritrmotor schematisch
zeigt,
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2 ein
Anzeigerad für
eine Nockenwelle darstellt;
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3 ein
Detail eines Schwungrades mit Anzeigevorrichtungen darstellt;
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4 Kurbelwellen-
und Nockenwellensignale für
ein Drosselventil veranschaulicht; und
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5 ein
Blockdiagramm einer Anordnung gemäß der Erfindung schematisch
zeigt.
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Beschreibung einer Ausführungsform
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In 1 bezeichnet
die Bezugsziffer 1 einen Zylinder für einen Viertakt-Einspritrmotor
und die Bezugsziffer 2 einen im Zylinder beweglichen Kolben. Der
Motor kann z. B. die Form eines für ein Schwerlastfahrzeug vorgesehenen
Dieselmotors mit mehreren Zylindern haben. Eine Einspritzung in
den Zylinder wird durch eine Steuereinheit 3 gesteuert,
die Informationen von Detektoren 16 und 17 empfängt, die zu
der Nockenwelle 9 bzw. der Kurbelwelle 15 gehörende Anzeigevorrichtungen
feststellen. Eine am oberen Teil des Zylinders 1 angeordnete
Einspritreinheit 4 enthält
eine Einspritrpumpe 5, die selbst einen in einem Pumpgehäuse 10 beweglichen
Pumpkolben 6 enthält.
Auf den Pumpkolben 6 wird durch einen Kipphebel 7 eingewirkt,
auf den selbst durch einen auf der Nockenwelle 9 des Motors
angeordneten Nocken 9' über eine
Schubstange 8 eingewirkt wird. Zum Pumpgehäuse 10 führt eine
Kraftstoffzufuhrleitung 11 und von ihm geht eine Leitung
ab, die zu einem Entlastungskreis 12 gehört, in dem
ein steuerbares Drosselventil 13 eingebaut ist. Eine Aktivierung des
Drosselventils 13, so dass es den Entlastungskreis 12 verengt
oder sperrt, ermöglicht
eine Einspritzung in den Zylinder 1 zur gleichen Zeit,
wenn mit Hilfe des Nockens 9' auf
den Pumpkolben 6 eingewirkt wird.
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2 zeigt
ausführlicher
die Anzeigeanordnung, die zur Nockenwelle 9 gehört und über ihren Umfang
verteilte Anzeigeelemente 18 umfaßt, mit einem Drehstellungen
anzeigenden Element 18',
das in der Praxis die Form eines Doppelanzeigeelements 18 hat. 3 zeigt ein Detail eines
auf einer Kurbelwelle 15 angeordneten Schwungrades 14 mit
Anzeigevorrichtungen 19, die in diesem Fall die Form mehrerer,
in der Schalenfläche
des Schwungrades in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilter Löcher haben. Die
Bezugsziffer 19' bezeich net
eine Drehstellungsanzeige, die durch die lokale Weglassung einer
Anzeigevorrichtung 19 an einem Punkt pro Umdrehung ziemlich
einfach repräsentiert
wird.
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4 stellt
mehrere, für
die Erfindung relevante Signale als Funktion der Winkelstellung
eines Viertakt-Einspritzmotors dar, wobei A ein Schwungradsignal
ist, bei dem jeder Impuls oder, im Diagramm, jede Impulslinie 21 einen
Zahn des Anlaßzahnkranzes
angibt, d. h. eine von der in 3 dargestellten
verschiedene Lösung.
B zeichnet ein sogenanntes Auslösersignal
vom Schwungrad, das durch einen separat vom oben erwähnten Zahnkranz angeordneten
Zahn erzeugt wird, was bedeutet, daß die Linie 22 einen
Impuls für
jede Kurbelwellenumdrehung repräsentiert.
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C ist ein Nockenradsignal, wobei 23 ein
Passieren des Detektors eines Anzeigeelements repräsentiert
und 24 ein Passieren des Detektors des Doppelanzeigeelements
repräsentiert.
D repräsentiert eine
Aktivierung des Einspritzers für
den betreffenden Zylinder, wobei die Punktspitzen 25 jeweils
einen elektrischen Impuls repräsentieren,
der von der Steuerung der Anordnung an das Drosselventil abgegeben
wird, um letzteres zu aktiveren. E bezeichnet eine Aktivierung des
Pumpkolbens und F die tatsächlich
ausgeführte
Einspritzung.
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Wie oben erwähnt wurde, führt die
Kurbelwelle in einem Viertaktmotor zwei Umdrehungen aus, um einen
Zyklus des Motors auszuführen,
was bedeutet, daß die
Stellung der Kurbelwelle nur zum Beschreiben der Stellung des Kolbens
im Zylinder, nicht aber zum präzisen
Beschreiben, in welcher Phase (z. B. Kompression oder Ausstoß) der Motor
ist, genutzt werden kann. Gemäß der Erfindung
wird jedoch das auf die Kurbelwellendrehzahl bezogene Auslösersignal
genutzt, um das Drosselventil zu aktivieren und daher die Bedingungen
zu erzeugen, die für
eine Einspritrung erforderlich sind, falls der Pumpkolben ebenfalls
aktiviert ist.
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Die Erfindung ist am einfachsten
auf der Grundlage von 4 zu
beschreiben, in der ganz links im Diagramm der Motor angelassen
wird, indem der Anlassermotor gestartet wird. Das Auftreten des Auslösersignals 22 liefert
eine unmittelbare Anzeige in der Steuereinheit bezüglich der
Kolbenstellung in jedem der Zylinder, die einen Teil des betreffenden Viertaktmotors
bilden. Wie oben gibt es jedoch keine präzise Anzeige der Phasenstellung,
in der der Motor ist. Gemäß der Erfindung
ist das Drosselventil, das nun am schnellsten aktiviert wird, nachdem
das Auslösersignal 22 empfangen
wurde, dasjenige, das zu dem Zylinder gehört, der nach Empfang des Auslösersignals
am ehesten einen Kolben aufweist, dessen Stellung darin der Stellung
entspricht, in der eine Einspritzung in den Zylinder stattfinden
soll. In dieser Phase wird folglich ein elektrischer Impuls 25 an
das geeignete Drosselventil abgegeben. Unter der Annahme, daß der Pumpkolben
in dieser Phase durch seinen zugeordneten Nocken (E) ebenfalls aktiviert wird,
wird eine Einspritzung in den betreffenden Zylinder tatsächlich ausgeführt (F).
Falls statt dessen der Kolben in einer Ausstoßphase statt einer Kompressionsphase
gewesen war, würde
keine Einspritrung stattgefunden haben, sondern sie würde eine Kurbelwellendrehung
von 360° später für diesen
Zylinder stattgefunden haben, wie durch die gestrichelten Linien
weiter rechts von E und F angegeben ist.
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Wie vorher angegeben wurde, ist die
Erfindung natürlich
geeignet für
Viertakt-Einspritrmotoren mit
mehr als einem Zylinder ungeachtet dessen, ob die Anzahl von Zylindern
ungerade oder gerade ist. Im Falle einer geraden Anzahl Zylinder,
wobei zwei Zylinder immer in Gegenphase arbeiten, wird eine Aktivierung
des Drosselventils in den beiden Zylindern gleichzeitig stattfinden,
die am weitesten außer Phase,
d. h. in Gegenphase sind. Wie man aus dem vorhergehenden erkennen
kann, wird jedoch die tatsächliche
Einspritrung nur in demjenigen dieser beiden Zylinder stattfinden,
auf dessen Pumpkolben der zugeordnete Nocken gleichzeitig eingewirkt
hat. Im Falle einer ungeraden Anzahl Zylinder arbeiten letztere
nicht in Gegenphase, und die Aktivierung der verschiedenen Drosselventile
wie auch die tatsächliche
Einspritrung wird in einer Sequenz stattfinden. 4 veranschaulicht auch die Vorteile der
Erfindung in Bezug auf die herkömmliche
Technik, die damit verbunden ist, nicht nur auf das Auslösersignal 22 der
Kurbelwelle, sondern auch auf das Nockenwellensignal 24 zu
warten, bevor die Steuerung damit beginnen kann, das Drosselventil
und daher die eigentliche Einspritzung zu aktivieren. Ein Beispiel,
das erwähnt
werden kann, ist, daß in
einem Dieselmotor mit zwei Zylindern die erste eigentliche Einspritrung bei
der ersten Impulsanzeige für
F in einem Motor stattfinden wird, der eine Anordnung gemäß der Erfindung
enthält,
wohingegen bei der herkömmlichen Technik
im gleichen Viertaktmotor mit zwei Zylindern die erste Einspritzung
beim in gestrichelten Linien rechts von F angegebenen Impuls stattfinden
wird, d. h. es gibt eine Verzögerung
von einer ganzen Umdrehung, bevor die erste Einspritzung stattfindet.
Entsprechende Unterschiede ergeben sich natürlich mit Motoren, die eine
andere Anzahl Zylinder aufweisen.
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Sobald das Nockenwellensignal festgestellt und
die korrekte Phasenstellung bekannt ist, ist es vorteilhaft, daß der Motor
möglichst
schnell umschaltet, um ihn mit einer Drosselventilaktivierung im
Einklang mit der Tätigkeit
des Pumpkolbens laufen zu lassen.
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5 zeigt
ein logisches Blockdiagramm eines Verfahrens gemäß der Erfindung, wobei Block 30 ein
Anlassen des Anlassermotors, 31 ein Überwachen, daß das Auslösersignal
der Kurbelwelle empfangen ist, 32 das Aussenden eines elektrischen
Impulses an das Drosselventil, 33 ein Überwachen, daß das Auslösersignal
der Nockenwelle empfangen ist, 34 eine Anpassung an eine
korrekte Phasenstellung, 35 ein Überwachen der Phasenstellung, 36 ein Überwachen
der Betriebsparameter des Motors, 37 eine Änderung
der Einstellung der Phasenstellung, 38 einen fortgesetzten
Betrieb mit einer angenommenen Phasenstellung und 39 einen
Notbetrieb auf der Grundlage des Nockenwellensignals bezeichnet. Ausführlicher
beschrieben gilt der folgende Sachverhalt für einen Betrieb in Fällen, in
denen das Auslösersignal
der Nockenwelle fehlerhaft oder einfach komplett ausgefallen ist.
In solchen Fällen
kann der Betrieb wie oben fortgesetzt werden, d. h. mit einer Aktivierung
einmal je Umdrehung der Kurbelwelle, da dies aber u. a. wegen eines
unnötig
großen
elektrischen Energieverbrauchs unerwünscht ist, ist es wünschenswert,
auf eine Betriebsform umschalten zu können, wodurch das Drosselventil
im Einklang mit einer Aktivierung des Pumpkolbens aktiviert wird (dies
gilt auch allgemein für
ein Umschalten in einen Normalbetrieb wie oben). Dies wird gemäß einer Weiterentwicklung
der Erfindung durch die Steuereinheit unter der Annahme erreicht,
daß eine
bestimmte Phasenstellung in den Zylindern vorliegt, die statt dessen
zur Folge hat, daß das
Drosselventil einmal bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle
aktiviert wird. Danach werden die Betriebsparameter des Motors überwacht,
und falls sie sich z. B. durch eine Drehzahlabnahme, Änderung
in der Abgaszusammensetrung etc. ändern, kann dies als eine Anzeige
genommen werden, daß die
Annahme falsch war, woraufhin sie durch Verschieben der angenommenen
Phasenstellung um 360° korrigiert
wird. Falls das oben erwähnte Überwachen
der Betriebsparameter des Motors keine Änderung feststellt, dauert der
Betrieb mit der angenommenen Phasenstellung an.
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Es kann auch erwähnt werden, daß die Steuerung
gemäß der Erfindung
wahlweise Einrichtungen enthalten kann, die einen Notbetrieb ermöglichen, selbst
wenn das Kurbelwellensignal ausfällt
oder fehlerhaft ist. In solchen Fällen wird ein Notbetrieb ganz auf
der Grundlage des Nockenwellensignals ausgeführt.