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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Anpassen des Zündwinkels
an das Verdichtungsverhältnis
einer fremdgezündeten
Brennkraftmaschine mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis.
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Brennkraftmaschinen, insbesondere
Hubkolbenmaschinen, mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis
sind seit längerer
Zeit bekannt; verwiesen sei beispielsweise auf die
US 4,469,055 , WO 86/01 562 A1 und
WO 96/27079 A1. Änderungen
des Verdichtungsverhältnisses,
bei dem es sich um das Verhältnis
zwischen den Volumina des Brennraumes im oberen und unteren Totpunkt
des Kolbens handelt, lassen sich z. B. durch Änderungen des Kolbenhubes erzielen.
Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird das Verdichtungsverhältnis kontinuierlich
geändert, um
es an Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anzupassen. Hierdurch
wird eine Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine über dem
gesamten Betriebsbereich angestrebt.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen (z.
B. Otto-Motoren) sind bekanntlich der Zündzeitpunkt bzw. Zündwinkel
und das Verdichtungsverhältnis
eng miteinander verknüpft.
Das Verdichtungsverhältnis
beeinflusst den Verlauf des Verbrennungsdrucks über seine Auswirkung auf die
Gemischentflammung (Zündverzögerung und
Brenngeschwindigkeit). Um die Energie des Brenngasgemisches in der
Brennkammer optimal umzusetzen, sollte das Maximum des Verbrennungsdrucks
bei ungefähr
15 bis 20°CRK
(Kurbelwellenwinkel) nach dem oberen Totpunkt liegen. Um dies zu
erreichen, muss aufgrund der Zündverzögerung und
der Brenngeschwindigkeit der Zündzeitpunkt
auf z. B. 20 bis 25°CRK
vor dem oberen Totpunkt vorverlegt werden. Da die Zündverzögerung und
die Brenngeschwindigkeit eng mit dem Verdichtungsverhältnis der
Brennkraftmaschine verknüpft
sind, sollte daher der Zündwinkel
an das aktuelle Verdichtungsverhältnis
einer Brennkraftmaschine mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis angepasst
werden.
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Ein wichtiger Aspekt bei der Berechnung
und Einstellung des Zündwinkels
ist die Vermeidung einer klopfenden Verbrennung. So führt ein
Zündwinkel, bei
dem sich ein maximales Drehmoment ergibt, häufig zu einem Klopfen der Brennkraftmaschine.
Der Zündwinkel
muss daher in Richtung einer späteren Zündung verstellt
werden, um das Klopfen zu vermeiden. Besonders kritisch im Hinblick
auf die Gefahr eines Klopfens sind instationäre Betriebszustände, bei denen
sich das Verdichtungsverhältnis ändert.
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Aus der
DE 198 45 965 A1 ist ein
Verfahren zum Bestimmen des Istwertes des Verdichtungsverhältnisses
bei einer Brennkraftmaschine mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis bekannt,
bei dem in einem definierten Betriebszustand der Brennkraftmaschine
der Zündzeitpunkt
variiert und in Abhängigkeit vom
Zündzeitpunkt
an der Klopfgrenze der Istwert des Verdichtungsverhältnisses
bestimmt wird. Die Bestimmung des Istwertes des Verdichtungsverhältnisses
kann dann wiederum dazu benutzt werden, weitere Parameter wie z.B.
die sogenannte Klopfregeltiefe und in Abhängigkeit hiervon einen geeigneten
Zündzeitpunkt
zu bestimmen.
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Aus der
DE 199 50 682 A1 ist ein
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis
bekannt, bei dem mittels eines Klopfsensors ein zu hohes Verdichtungsverhältnis ermittelt
wird, um daraufhin das Verdichtungsverhältnis unter die Klopfgrenze
zu verringern, wobei das Verdichtungsverhältnis anschließend wieder
erhöht
werden kann. Genauer gesagt, wird das Verdichtungsverhältnis bei Überschreiten oder
Erreichen der Klopfgrenze um einen von dem Betriebszustand abhängigen vorgebbaren
ersten Betrag über
einen vorgebbaren ersten Zeitraum verringert, und anschließend wird
das Verdichtungsverhältnis
um einen vorgebbaren zweiten Betrag über einen vorgebbaren zweiten
Zeitraum bis zum Erreichen oder Überschreiten
der Klopfgrenze erhöht.
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Aus der
JP 0 1163468 AA ist eine
Einrichtung zum Steuern des Zündzeitpunktes
einer Brennkraftmaschine mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis bekannt,
bei dem der Zündzeitpunkt
in Richtung Frühzündung und
in Richtung Spätzündung verstellt wird,
wenn das Verdichtungsverhältnis
von groß nach
klein bzw. von klein nach groß verstellt
wird. Genauer gesagt, wird die Brennkraftmaschine so gesteuert,
dass das Verdichtungsverhältnis
bei niedriger Last groß ist,
während
es bei hoher Last klein ist, und hierbei wird der Zündzeitpunkt
bei großem
Verdichtungsverhältnis
in Richtung Spätzündung und
bei kleinem Verdichtungsverhältnis
in Richtung Frühzündung verstellt.
Beim Umschalten des Verdichtungsverhältnisses, also bei instationären Betriebszuständen, wird
eine entsprechende Korrektur durchgeführt, um ein Klopfen zu vermeiden.
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Im übrigen sind Verfahren zur adaptiven Klopfregelung
von Brennkraftmaschinen in großer Vielfalt
bekannt. So offenbart beispielsweise die
DE 100 43 694 A1 ein derartiges
Verfahren, bei dem für eine
Klopfregelung relevante Spätverstellwinkel
des Zündwinkels
mittels einer anpassbaren Rechenvorschrift berechnet oder in einem
Adaptionskennfeld gespeichert und aus dem Adaptionskennfeld ausgelesen
werden. Für
unterschiedliche Betriebszustände der
Brennkraftmaschine wie z.B. Homogenbetrieb, Schichtbetrieb oder
Homogen-Magerbetrieb ist jeweils ein separates Adaptionskennfeld
oder jeweils eine separate anpassbare Rechenvorschrift vorgesehen.
Bei einem Wechsel des Betriebszustandes wird dann der aktuelle Spätverstellwinkel
aus dem Adaptionskennfeld des neuen Betriebszustandes gelesen oder
mittels der neuen anpassbaren Rechenvorschrift berechnet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anpassen des Zündwinkels
an das Verdichtungsverhältnis
einer fremdgezündeten
Brennkraftmaschine mit ver änderlichem Verdichtungsverhältnis anzugeben,
bei dem eine optimale Verbrennung des Brenngasgemisches unter sicherer
Vermeidung eines Klopfens erzielt wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in Anspruch
1 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zwischen stationären
Betriebsphasen mit konstantem Verdichtungsverhältnis und Übergangsphasen mit sich änderndem
Verdichtungsverhältnis
unterschieden:
- a) In stationären Betriebsphasen wird
- 1) bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Auslegungspunkt
mit einem Nennverdichtungsverhältnis
ein Nennzündwinkel
einem beim Kalibrieren gewonnenen Kennfeld entnommen und
- 2) bei einem vom Auslegungspunkt abweichenden Betrieb der Brennkraftmaschine
ein korrigierter Zündwinkel
aus dem Nennzündwinkel
mittels einer vorgegebenen Korrekturfunktion in Abhängigkeit
von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis gewonnen.
Als Auslegungspunkt
kann beispielsweise das gebräuchlichste
und/oder günstigste
Verdichtungsverhältnis
der Brennkraftmaschine gewählt
werden. Das Kennfeld definiert den Nennzündwinkel beispielsweise in
Abhängigkeit
von der Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine. Bei Betrieb der
Brennkraftmaschine im Auslegungspunkt kann dann der Zündwinkel
unmittelbar dem Kennfeld entnommen werden.
Bei einem vom Auslegungspunkt
abweichenden Betrieb der Brennkraftmaschine wird eine vorgegebene Korrekturfunktion
dazu benutzt, aus dem Nennzündwinkel
einen korrigierten Zündwinkel
für die
stationäre
Betriebsphase zu ermitteln. Die vorgegebene Korrekturfunktion kann
irgendeine Korrekturfunktion sein, wie sie zum Korrigieren und Anpassen
anderer Betriebsparameter von Brennkraftmaschinen grundsätzlich bekannt
sind. So kann die Korrekturfunktion beispielsweise aus einem additiven
oder multiplikativen Korrekturwert für den Nennzündwinkel bestehen, wobei dieser
Korrekturwert von dem Verdichtungsverhältnis oder dem Verhältnis des
aktuellen Verdichtungsverhältnisses
zu dem Nennverdichtungsverhältnis
abhängt.
Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die Korrekturfunktion aus einer Interpolation zweier
beim Kalibrieren gewonnener Kennfelder mittels eines vom Verdichtungsverhältnis abhängigen Korrekturfaktors
besteht. Da derartige Korrekturfunktionen im Zusammenhang mit der
Berechnung anderer Betriebsparameter bekannt sind, werden sie hier nicht
weiter erläutert.
- b) In Übergangsphasen
mit sich änderndem
Verdichtungsverhältnis
wird erfindungsgemäß eine Zündwinkelreserve
zum Einhalten eines Sicherheitsabstandes von der Klopfgrenze bestimmt
und aus dem Nennzündwinkel
oder dem korrigierten Zündwinkel für eine stationäre Betriebsphase
mit Hilfe der Zündwinkelreserve
ein Zündwinkel
für die Übergangsphase
gewonnen.
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In Übergangsphasen mit sich änderndem Verdichtungsverhältnis ergeben
sich Betriebszustände,
für die
eine genaue Ermittlung der Klopfgrenze im allgemeinen nicht möglich ist.
Erfindungsgemäß wird daher
der Zündwinkel
so bestimmt, dass gewissermaßen
ein Sicherheitsabstand zu der Klopfgrenze eingehalten wird, um eine
klopfende Verbrennung mit Sicherheit zu vermeiden. In den Übergangsphasen steht
daher die Klopfvermeidung und nicht die Optimierung anderer Parameter
wie Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission usw. im Vordergrund.
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Die Zündwinkelreserve kann dazu benutzt werden,
den Nennzündwinkel
oder korrigierten Zündwinkel
für eine
stationäre
Betriebsphase unmittelbar zu modifizieren. Hierbei kann die Zündwinkelreserve aus
einem konstanten oder von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis abhängigen additiven
Korrekturwert bestehen. Im einfachsten Fall wird der Nennzündwinkel
bzw. korrigierte Zündwinkel
um einen entsprechenden Winkelwert in Richtung eines späteren Zündzeitpunktes
verschoben.
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Bei Brennkraftmaschinen, deren Betrieb
in einer geschlossenen Regelschleife mittels eines elektronischen
Betriebssteuergerätes
auf Drehmomentenbasis geregelt wird, kann bei der Ermittlung des
Drehmomentes eine Drehmomentenreserve in Abhängigkeit von dem aktuellen
Verdichtungsverhältnis
berücksichtigt
werden, die dann im geschlossenen Regelkreis eine entsprechende
Zündwinkelreserve
induziert. In diesem Fall ergibt sich somit eine Zündwinkelreserve,
die von dem (sich ändernden) aktuellen
Verdichtungsverhältnis
abhängt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Zündwinkel
in allen Betriebsphasen an das aktuelle Verdichtungsverhältnis so
angepasst, dass sich einerseits ein optimaler Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
(in stationären
Betriebsphasen) und andererseits ein sicherer Schutz der Brennkraftmaschine
gegen Klopfen (in Übergangsphasen)
ergibt. Solange die Brennkraftmaschine im Auslegungspunkt arbeitet,
kann der Zündwinkel
unmittelbar dem beim Kalibrieren gewonnenen Kennfeld entnommen werden.
Hierdurch wird automatisch ein optimaler Betrieb hinsichtlich Wirkungsgrad
und Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine sichergestellt, ohne
dass es hierzu besonderer Berechnungen oder Modellierungen bedarf.
Somit fällt
auch kein Rechenaufwand für
das elektronische Betriebssteuergerät an.
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In vom Auslegungspunkt abweichenden
stationären
Betriebsphasen kann mittels der vorgegebenen Korrekturfunktion in
extrem einfacher Weise der für
den jeweiligen Betriebspunkt optimale Zündwinkel gewonnen werden. Hierzu
bedarf es nur eines sehr geringen Rechenaufwandes des Betriebssteuergerätes.
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In den Übergangsphasen steht der Schutz der
Brennkraftmaschine gegen Klopfen im Vordergrund. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Zündwinkelreserve
werden eine sichere Zündung
sowie eine sichere Klopfvermeidung gewährleistet.
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Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
Diagramm, in dem das Drehmoment (T) über dem Kurbelwellenwinkel
(°CRK) aufgetragen
ist,
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2 ein
Diagramm, in dem der Verbrennungsdruck (P) über dem Kurbelwellenwinkel
aufgetragen ist,
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3 eine
Schemaskizze für
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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4 ein
Diagramm, in dem der Zündwinkel über der
Zeit aufgetragen ist, um eine Modifikation des Nennzündwinkels
mit Hilfe einer Zündwinkelreserve
zu veranschaulichen.
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Bei Brennkraftmaschinen, deren Betrieb
mittels eines elektronischen Betriebssteuergerätes auf Drehmomentenbasis gesteuert
wird, werden üblicherweise
drei unterschiedliche Zündwinkel
definiert, und zwar ein Referenzzündwinkel IGA_REF entsprechend
dem maximal erzielbaren Drehmoment, ein Basiszündwinkel IGA_BAS entsprechend
einem optimalen Drehmoment bei Berücksichtigung der Klopfgrenze
und ein Mindestzündwinkel
IGA_MIN als Untergrenze für
eine ausreichende Verbrennung. Zur Veranschaulichung sei auf 1 verwiesen, in der das
Drehmoment T über
dem Kurbelwellenwinkel °CRK
aufgetragen ist und die drei erwähnten
Zündwinkel
IGA_REF, IGA_BAS und IGA_MIN durch gestrichelte Linien angedeutet
sind. Ferner ist mit K ein potentieller Klopfbereich angedeutet;
bei Zündwinkeln
innerhalb dieses Bereiches besteht die Gefahr einer klopfenden Verbrennung.
Zweckmäßigerweise wird
jeder der drei Zündwinkel
gemäß dem oben
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
an das sich ändernde
Verdichtungsverhältnis
angepasst, da diese drei Zündwinkel
eine Auswirkung auf sämtliche Verbrennungseigenschaften
haben. Hierbei empfiehlt es sich, für jeden dieser drei Zündwinkel
zur Anpassung an das sich ändernde
Verdichtungsverhältnis
jeweils eine eigene vorgegebene Korrekturfunktion für die Ermittlung
eines vom Nennzündwinkel
abgeleiteten korrigierten Zündwinkels
bzw. eine eigene Zündwinkelreserve
für die
Ermittlung des Übergangzündwinkels
vorzusehen.
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Wie ohne weiteres verständlich,
führt eine Anpassung
der Zündwinkel
an ein aktuelles Verdichtungsverhältnis gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu einer Verschiebung des entsprechenden Zündwinkels IGA_REF, IGA_BAS
und IGA_MIN nach rechts oder links auf der Abszisse des Diagramms
in 1.
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Das Diagramm der 2 dient zur Erläuterung einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Anpassung des Zündwinkels
in stationären
Betriebsphasen. Die Kurve a stellt den Verlauf des Verbrennungsdrucks
P über
dem Kurbelwellenwinkel (°CRK)
im Auslegungspunkt der Brennkraftmaschine dar, bei dem der Nennzündwinkel IGA_N
beispielsweise ca. 14 °CRK
vor dem oberen Totpunkt liegt. Wie gezeigt, hat die Kurve a ihr
Maximum (POPT) bei ca. –8°CRK. Hierbei liegt POPT deutlich unter der gestrichelt angedeuteten
Klopfgrenze KBL, die im dargestellten Beispiel bei ca. 2,5 bar liegt.
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Es sei nun eine stationäre Betriebsphase
betrachtet, bei der das Verdichtungsverhältnis um einen bestimmten Betrag
größer als
das Nennverdichtungsverhältnis
ist. Würde
nun der Zündwinkel
nicht an das geänderte
Verdichtungsverhältnis
angepasst, würde
also der Nennzündwinkel
IGA_N als Zündwinkel
gewählt,
so ergäbe
dies einen Verbrennungsverlauf entsprechend der Kurve b. Wie ersichtlich,
würde dann
der maximale Verbrennungsdruck wesentlich früher (bei ca. –1°CKR) erreicht,
wobei er deutlich über
der Klopfgrenze KBL läge.
Hieraus wird deutlich, dass eine Anpassung des Zündwinkels an das erhöhte Verdichtungsverhältnis zum
Erzielen einer optimalen Verbrennung erforderlich ist.
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Die Kurve c stellt einen Verlauf
des Verbrennungsdrucks P dar, wenn gemäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
sowohl der Referenzzündwinkel
IGA_REF wie auch der Basiszündwinkel
IGA_BAS mit derselben Korrekturfunktion korrigiert werden. Beide
Zündwinkel
werden beispielsweise um denselben additiven Wert verringert, was durch
den Zündwinkel
IGAc angedeutet ist. Dies führt dann
zu einem Verlauf der Verbrennung, bei der zwar das Maximum des Verbrennungsdrucks
bei ca. –8°CKR (POPT), jedoch geringfügig oberhalb der Klopfgrenze
KBL liegt. Hieraus wird deutlich, dass es im Sinne eines optimalen
Verlaufs des Verbrennungsdruckes zweckmäßig ist, für jeden der Zündwinkel
IGA_REF, IGA_BAS (wie auch IGA_MIN) eine eigene Korrekturfunktion
vorzusehen. Eine derartige individuelle Anpassung der drei verschiedenen
Zündwinkel
an das geänderte
Verdichtungsverhältnis
führt zu
einem Verlauf des Verbrennungsdrucks, der durch die Kurve d mit
dem Zündwinkel
IGAd wiedergegeben wird. Wie ersichtlich,
liegt der maximale Verbrennungsdruck der Kurve d unter der Klopf grenze
KBL. Die Kurve d stellt somit den Verlauf des Verbrennungsdrucks
bei optimaler Anpassung des Zündwinkels
an das geänderte
Verdichtungsverhältnis
dar.
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Wie erwähnt, veranschaulicht das Diagramm der 2 die Anpassung des Zündwinkels
an das geänderte
Verdichtungsverhältnis
in stationären
Betriebsphasen. Bei instationären
Betriebsphasen ergäbe
sich im einfachsten Fall aufgrund der Zündwinkelreserve eine Verschiebung
der Kurven c und d nach rechts im Diagramm der 2.
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Anhand der 3 wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
erläutert, bei
dem die Korrekturfunktion durch Interpolation zweier Kennfelder
gewonnen wird. Die Korrekturfunktion besteht in diesem Fall aus
einem additiven Korrekturwert für
den Nennzündwinkel.
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In Kennfeldern 5 und 6 ist
jeweils ein Zündwinkel
IP_IGA_VCR1 und IP_IGA_VCR2 in Abhängigkeit von der Drehzahl 2 und
Last 3 der Brennkraftmaschine für ein vorgegebenes Verdichtungsverhältnis VCR1
bzw. VCR2 aufgetragen. In einem Schritt 7 wird die Differenz zwischen
den aus den Kennfeldern 5 und 6 gewonnenen Zündwinkeln
gebildet, welche dann in einem Schritt 9 zwecks Mittelwertbildung
mit einem Korrekturfaktor IP_FAC IGA_VCR multipliziert wird. Dieser
Korrekturfaktor wird einem Kennfeld 8 entnommen, in dem
der Korrekturfaktor in Abhängigkeit
von der Last 3 und dem aktuellen Verdichtungsverhältnis 4 abgelegt
ist. Der im Schritt 9 gewonnene Wert stellt den additiven Korrekturwert
dar, der in einem Schritt 10 zu dem als Nennzündwinkel dienenden Zündwinkel
IP_IGA_VCR2 addiert wird. Der hierbei gewonnene Zündwinkel
IGA ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
der korrigierte Zündwinkel,
der am Ausgang 1 zwecks Steuerung des Zündzeitpunktes abgegeben wird.
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In dem Diagramm der 4 ist der Kurbelwellenwinkel °CRK über der
Zeit t aufgetragen. Die gestrichelt dargestellte Kurve e stellt
den Nennzündwinkel
dar, bei dem es sich beispielsweise um den Zündwinkel IP_IGA_VCR2 aus 3 handelt. Die Kurve f ist
ein Flag, mit dem eine Modifikation des Nennzündwinkels (Kurve e) mittels
einer Zündwinkelreserve
während
instationärer
Betriebsphasen angefordert wird.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht die Zündwinkelreserve
in einfacher Weise aus einem additiven Korrekturwert, der von dem
Nennzündwinkel
abgezogen wird, um den Nennzündwinkel
in Richtung eines späteren
Zündzeitpunktes
zu verschieben. Das Ergebnis ist die fest ausgezogene Kurve g. Wie
aus dem Diagramm der 4 ersichtlich
ist, wird im Zeitpunkt t1 die Zündwinkelreserve
aktiviert (Kurve f), wodurch der Nennzündwinkel (Kurve e) um den additiven
Korrekturwert verringert wird (Kurve g). Im Zeitpunkt t2 wird
die Aktivierung der Zündwinkelreserve
beendet, so dass der Nennzündwinkel
wieder der Kurve e folgt. Entsprechende Vorgänge spielen sich zu den Zeitpunkten
t3, t4 usw. ab.