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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der
Technik
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Grundsätzlich bekannt
sind Brennkraftmaschinen, bei denen Benzin direkt in den Brennraum eingespritzt
und, ähnlich
einer Dieselbrennkraftmaschine, selbst entzündet wird. Von der selbstzündenden
Betriebsart von Ottomotoren erwartet man sich weitere Einsparungen
beim Kraftstoffverbrauch und ein nochmals günstigeres Emissionsverhalten
als bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung und Fremdzündung durch
eine Zündkerze.
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Eine
homogene Selbstzündung
wird bei einem Otto-Motor dadurch erreicht, dass ein erheblicher
Anteil des verbrannten Luft/Kraftstoff-Gemisches nicht in den Auspuff
ausgeschoben wird, sondern im Brennraum verbleibt (so genannte interne Abgasrückführung).
Das verbrannte Luft/Kraftstoff-Gemisch wird nachfolgend als Restgas
(RG) bezeichnet. Bei einer internen Abgasrückführung wird durch eine variable
Ansteuerung der Einlass- und Auslassventile
im Gaswechsel-OT entweder Restgas im Brennraum zurückbehalten
(negative Ventilüberschneidung)
oder es wird Restgas aus dem Abgas- oder dem Einlasskanal zurückgesaugt
(positive Ventilüberschneidung).
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In
dem darauf folgenden Ansaugtakt wird das Restgas mit Verbrennungsluft
und Kraftstoff vermischt. Dadurch hat das im Brennraum zum Zeitpunkt
des Schließens
des oder der Einlassventile befindliche Gasgemisch, bestehend aus
Verbrennungsluft und Restgas, eine gegenüber dem Normalbetrieb deutlich
erhöhte
Temperatur. Durch die an den Ansaugtakt anschließende Verdichtung des im Brennraum
befindlichen Gasgemisches steigt dessen Temperatur so weit an, dass
sich das im Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch ohne Fremdzündung durch
eine Zündkerze
selbst entzündet.
Ziel der homoge nen selbstzündenden
Betriebsweise ist es, dass die Selbstzündung des im Brennraum befindlichen
Kraftstoff-Luft-Gemisches ungefähr
mit Erreichen des Zünd-OT
stattfindet. Um die Vorteile des HCCI-Betriebes voll zu nutzen,
ist dabei eine sehr genaue Steuerung/Regelung der Verbrennungslage notwendig.
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Dabei
hat das Restgas zwei wichtige Aufgaben. Erstens stellt das heiße Restgas
Wärme bereit, die
in Verbindung mit der Temperaturerhöhung im Verdichtungstakt eine
Selbstzündung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermöglicht.
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Die
zweite Aufgabe des Restgases besteht darin, die Kinetik der durch
Selbstzündung
ausgelösten
Verbrennung zu verlangsamen, um dadurch erstens die mechanische
Belastung der Brennkraftmaschine zu reduzieren, deren Geräuschbildung
zu reduzieren und das Entstehen lokaler Temperaturspitzen zu verhindern.
Dadurch wird im Ergebnis eine Verbesserung des Wirkungsgrads der
Brennkraftmaschine erreicht und, wegen der reduzierten Maximaltemperaturen,
wird ein sehr NOx-armer und teilweise sogar NOx-freier Betrieb der
Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Um
den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern und Schadstoffemissionen
zu verringern, ist es ferner bekannt für verschiedene Betriebspunkte
unterschiedliche Einspritzkonzepte mit teilweise mehreren Einspritzungen
vorzusehen. Je nach Anforderung und Betriebspunkt ist es teilweise erforderlich
nur wenige Kubikmillimeter Kraftstoff einzuspritzen. Bei einer typischen
Fertigungstoleranz der Einspritzventile sind solche geringen Einspritzmengen
ohne eine Kalibrierung der Einspritzventile nicht zu erreichen.
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Eine
solche Kalibrierung kann beispielsweise bereits bei der Fertigung
der Einspritzventile erfolgen, wobei die Kalibrierung ggf. elektronisch
oder durch Kennungen dem kalibrierten Einspritzventil zugeordnet
wird.
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Um
die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung zu verbessern, ist es beispielsweise
aus
DE 103 05 523
A1 bekannt, eine so genannte Nullmengenkalibrierung im
Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durchzuführen. Hierzu ist es vorgesehen,
eine möglichst
lang andauernde und stabile Betriebssituation der Brennkraftmaschine
einzustellen und die Ansteuerdauer des Einspritzventils schrittweise
solange zu erhöhen, bis
sich eine signifikante Änderung
einer Betriebskenngröße, insbesondere
eines Drehmoments, der Brennkraftmaschine ein gestellt hat. Die kleinste
Ansteuerdauer, bei der eine Änderung
der Betriebskenngröße zu beobachten
ist, wir zur Nullmengenkalibrierung herangezogen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass zur Kalibrierung des Einspritzventils eine minimale
Ansteuerungsdauer ermittelt wird, ab der eine Änderung wenigstens einer Betriebskenngröße zu beobachten
ist, wobei die zusätzliche
Ansteuerung zur Kalibrierung des Einspritzventils zeitlich vor einem
oberen Totpunkt in einer Phase eines Ladungswechsels erfolgt. Dieser
erfindungsgemäße Bereich
zeichnet sich dadurch aus, dass bereits kleinste zu einer deutlichen
Veränderung
von Betriebskenngrößen, beispielsweise
Drehmoment, Brennraumdruck, Verbrennungslage etc., führen, so dass
in diesem Bereich eine Nullmengenkalibrierung mit einer größeren Genauigkeit
durchgeführt
werden kann als in anderen Bereichen. Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung
des Einspritzventils nachdem das Auslassventil geschlossen ist.
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Die
erfindungsgemäße zusätzliche
Kalibriereinspritzung hat ferner den Vorteil, dass sie neben einer
Haupteinspritzung in einem geeigneten HCCI-Betriebsbereichen erfolgt.
Dies bedeutet, dass die Kalibrierung im normalen HCCI-Betrieb stattfinden kann
und nicht auf spezielle Betriebsbedingungen wie zum Beispiel Schubbetrieb
angewiesen ist.
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Ferner
ist ebenso vorteilhaft eine Vorrichtung zur Kalibrierung des Einspritzventils
vorgesehen.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch
angegebenen Vorrichtung bzw. Verfahrens möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die minimale Ansteuerdauer in Abhängigkeit des Brennraumdrucks
ermittelt wird. So kann in vorteilhafter Weise durch Beobachten
einer Veränderung
des erwarteten Brennraumdrucks auf eine erfolgte Kraftstoffzumessung
geschlossen werden und ermöglicht
die Ermittlung einer minimalen Ansteuerdauer.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass die minimale Ansteuerdauer in Abhängigkeit der Verbrennungslage
oder/und in Abhängigkeit
eines Schallereignisses ermittelt wird. Dies ermöglicht es, die minimale Ansteuerdauer
durch weitere Betriebsgrößen zu ermitteln
bzw. durch Berücksichtigung
mehrer Betriebsgrößen die
Genauigkeit der ermittelten Ansteuerdauer zu verbessern.
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In
einer weiteren Modifikation ist es vorgesehen, die Ansteuerung des
Einspritzventils zur Kalibrierung zu einem Kurbelwellenwinkel vorzusehen,
bei dem eine möglichst
große Änderung
der berücksichtigten
Betriebsgröße zu erwarten
ist, wodurch sich die Genauigkeit der Messung weiter erhöht.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist es in vorteilhafter Weise vorgesehen, die minimale Ansteuerdauer
jeweils für
verschiedene Betriebsbedingungen des Einspritzventil zu ermitteln,
insbesondere für
verschiedene Booster-Spannungen und/oder Einspritzdrücke.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen,
dass ausgehend von der minimalen Ansteuerdauer eine Injektorkennlinie
ermittelt wird und beispielsweise in einem Kennfeld bzw. Injektorkennfeld
hinterlegt wird.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
den Aufbau einer Brennkraftmaschine
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2 ein
Diagramm mit einem Brennraumdruck- und Ventilhubverlauf
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Beschreibung
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In 1 ist
schematisch eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, wobei beispielhaft
ein Zylinder 110 mit einem Einspritzventil dargestellt
sind. Im Zylinder 110 ist ein Kolben 120 bewegbar
angeordnet. Der Zylinder weist einen Brennraum 100 auf,
der unter anderem durch den Kolben 120, durch Gaswechselventile
nämlich
einem Einlassventil 150 und einem Auslassventil 160 begrenzt
ist. Es können
auch mehrere Ein- und/oder Auslassventile 150, 160 vorgesehen sein.
Im Bereich der Ein- und Auslassventile 150, 160 ragt
das Einspritzventil 40 in den Brennraum 100 hinein,
und ermöglicht
ein direktes Einbringen von Kraftstoff in den Brennraum 100.
Weiterhin führt
ein Saugrohr 155 vorzugsweise Luft an das Einlassventil 150 heran
und durch Öffnen
des Einlassventils 150 gelangt die Luft in den Brennraum 110.
Durch Öffnen des
Auslassventils 160 werden vorzugsweise Abgase in ein Abgasrohr 165 weiter
geleitet.
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Das
Einspritzventil 40 sowie das Ein- und Auslassventil 150, 160 sind über Steuerleitungen
mit einer Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine 200 bzw.
einem Steuergerät 200 verbunden. Über die
Steuerleitungen werden die Komponenten der Brennkraftmaschine vom
Steuergerät 200 für eine vorliegende
Betriebsart in geeigneter Weise angesteuert. Über Erfassungsmittel 300,
beispielsweise Sensoren, werden vorzugsweise physikalische Größen des
Fahrzeugs und/oder der Brennkraftmaschine erfasst und dem Steuergerät zur Verfügung gestellt.
Die physikalischen Größen stellen
entweder selbst bereits Betriebskenngrößen dar, wie beispielsweise
ein direkt gemessener Brennraumdruck, oder das Steuergerät ermittelt
ausgehend von den erfassten Größen geeignete
Betriebskenngrößen. Ein
Kalibriermodul 250 steuert zur Kalibrierung des Einspritzventils
das Einspritzventil erfindungsgemäß an und ermittelt unter Berücksichtigung
der Betriebskenngrößen eine
minimale Ansteuerungsdauer, ab der eine signifikante Reaktion einer
Betriebskenngröße zu beobachten
ist.
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Prinzipiell
hebt die Erfindung darauf ab, Einspritzventile insbesondere für eine Kleinstmengen-Kraftstoffzumessung
zu kalibrieren, wobei vornehmlich zur Kalibrierung Rückmeldung
von der Verbrennung berücksichtigt
werden. Die Rückmeldung der
Verbrennung bezieht sich vorzugsweise auf eine Veränderung
der Verbrennungslage oder der indizierten Arbeit (pmi). Als Sensoren
kommen Brennraumdruck, Ionenstrom, Körperschall, Drehzahl sowie
auch Kombinationen dieser Sensoren bzw. Erfassungsmittel oder ggf.
weitere Größen in Frage.
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In 2 ist
beispielhaft ein Verlauf eines Brennraumdruck pB (durchgezogene
Linie) und die Ventilhübe
h der Gaswechselventile (gestrichelte Linie) in einem homogenen
Betrieb einer Brennkraftmaschine in kontrollierter Selbstzündung über dem Kurbelwellenwinkel
gezeigt. Über
der Ordinate ist ein Kurbelwellenwinkel von -100 bis 800° dargestellt
und über
der Abszisse sind der Brennraumdruck und der Ventilhub aufgetragen.
Bei 0° und
bei 720° befindet sich
der Obere Totpunkt der Zündung
ZOT und bei 360° der
Obere Totpunkt im Ladungswechsel LOT bzw. gleichbedeutend Gaswechsel
GWOT. Der Ladungswechsel dient in bekannter Weise dem Ausstoßen verbrannter
Abgase vorzugsweise bei einem Kurbelwellenwinkel zwischen 180° und 360°, und dem
Ansaugen von Frischluft (oder ggf. einem Kraftstoff-Luft-Gemisch
bei einer Saugrohreinspritzung) in einem Bereich von vorzugsweise
360° bis
540°. Hiernach
schließt
sich ein Verdichtungs takt einem Kurbelwellenwinkelbereich von 540° bis 720° in dem die Frischluft,
der Kraftstoff und ein ggf. vorhandenes Restgas verdichtet werden.
Bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung wird der Kraftstoff je
nach Betriebsart beispielsweise in der Ansaugphase und/oder auch
in der Verdichtungsphase eingespritzt und in der Nähe des Zünd-OTs mit Hilfe einer
Zündkerze
entzündet.
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Bei
einem Betrieb einer Brennkraftmaschine und hier insbesondere eines
Ottomotors in kontrollierter Selbstzündung wird der Kraftstoff nicht
mit Hilfe einer Zündkerze,
sondern aufgrund der Temperaturentwicklung der im Brennraum komprimierten Gase
entzündet.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand einer solchen Brennkraftmaschine
erläutert, ohne
jedoch die Anwendung auf eine solche Brennkraftmaschine zu beschränken. Insbesondere
ist es denkbar, das erfindungsgemäße Vorgehen auch mit anderen
Brennkraftmaschinen mit und ohne Zündeinrichtung durchzuführen, und
insbesondere auch bei einer Diesel-Brennkraftmaschine.
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Zur
Bereitstellung eines homogenen Luftkraftstoff-Gemischs wird, wie
in 2 gezeigt, wird der Kraftstoff in einer Haupteinspritzung
E_2 in einem Bereich nach dem Gaswechsel-OT eingespritzt. Im dargestellten
Beispiel bei ca. 380°.
Nachfolgend wird das Einlassventil bei ca. 450° bis 580° geöffnet, so dass Frischluft in
den Brennraum strömen
kann. Durch die Bewegungen des Kolbens und der einströmenden Frischluft
wird der eingespritzte Kraftstoff im Wesentlichen homogen im Brennraum
verteilt. Während
der Verdichtung des Luft-Kraftstoffgemischs wird die Temperatur
des Gemisches so stark erhöht, dass
das Gemisch sich selbständig
entzündet.
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Der
Zeitpunkt bzw. der Kurbelwellenwinkel bei dem die selbständige Entzündung erfolgt,
wird vornehmlich durch die angesaugte Frischluftmenge und die im
Brennraum zurückgehaltene
oder zurückgeführte Restgasmenge
sowie auch Einspritzbeginn und -dauer eingestellt werden.
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Bei
einem HCCI-Betrieb (homogenous charge compression ignition) einer
Brennkraftmaschine mit einem Benzin-Kraftstoff wird in der Regel
keine Ventilüberschneidung
(negative Ventilüberschneidung)
der Gaswechselventile vorgesehen. Dies bedeutet, dass in der Ladungswechselphase
eine Verdichtung und anschließend
wiederum eine Expansion des internen Restgases erfolgt. Für den HCCI-Betrieb
werden verschiedene Einspritzstrategien verwendet, die vorzugsweise
aus einer Haupteinspritzung E_2 nach oder um den Oberen Totpunkt
des Gaswechsels GWOT und einer Voreinspritzung vorzugsweise vor
Gaswechsel-OT bestehen. Für
bestimmte Betriebspunkte/-arten kann ggf. auch eine Ein spritzstrategie
auch nur mit einer Haupteinspritzung E_2 vorgesehen sein. Weiterhin
kann es auch vorgesehen sein, die Haupteinspritzung E_2 in mehrere
Teileinspritzungen aufzuteilen.
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Erfindungsgemäß ist es
nun vorgesehen, das Einspritzventil zur Kalibrierung in einem Bereich vor
dem Gaswechsel-OT anzusteuern. Im vorliegenden Beispiel bei ca.
320°.
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Die
Kalibrierung erfolgt in einer beispielsweise in einer Betriebsart
bzw. in einem Betriebspunkt in dem zusätzlich zur Haupteinspritzung
E_2 eine Voreinspritzung E_1 vorgesehen ist. Dabei ist die Ansteuerdauer
für die
Voreinspritzung E_1 – abweichend
von der normalen Auslegung – so
ausgelegt, dass keine Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Aufgrund
der fehlenden Voreinspritzmenge verschiebt sich die Verbrennungslage
typischerweise nach Spät.
Der resultierende Fehler in der Verbrennungslage kann dann über die
Haupteinspritzung E_2 ausgeglichen werden.
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Anschließend wird
die Ansteuerdauer des Einspritzventils für die Voreinspritzung E_1 in
geeigneten Schritten erhöht
und die Verbrennungslage und/oder das indizierte Moment der betroffenen
Verbrennung werden über
einen geeigneten Sensor, zum Beispiel Brennraumdrucksensor, erfasst.
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Vorteilhaft
ist es, die Erhöhung
für einige
Verbrennungen konstant zu halten und die Werte für die Verbrennungslage und
das Moment zu mitteln. Dadurch können
Störungen
unterdrückt
werden.
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Wird
eine signifikante Änderung
der Verbrennungslage bzw. des indizierten Moments für eine gegebene
Ansteuerdauer beobachtet, ist dies die minimale Ansteuerdauer für das betrachtete
Einspritzventil ab der eine wirksame Menge eingespritzt wird. Dieser
Wert für
die minimale Ansteuerdauer wird auch als Delay-Time bezeichnet.
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Das
indizierte Moment wird in einem geeigneten Kurbelwellenfenster berechnet
und kann zum Beispiel überein
komplettes Arbeitsspiel, nur die Hochdruckschleife, nur die Niederdruckschleife
oder über
andere geeignete Bereiche wie zum Beispiel um einen Bereich um Zünd-OT erfolgen.
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Mit
Hilfe der für
das einzelne Einspritzventil ermittelten individuellen Delay-Time
kann nun die angenommene Delay-Time des Einspritzventils korrigiert
werden.
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Die
individuelle Delay-Time kann vorzugsweise entweder für verschiedene
Booster-Spannungen
und Einspritzdrücke
separat bestimmt werden oder von einer Konfiguration – bestehend
aus Booster-Spannung und Einspritzdruck – entsprechend übertragen
werden.
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Weiterhin
kann, wie beispielsweise in 3 gezeigt,
durch Vergleich des indizierten Momentes (bzw. der Verbrennungslage)
bei der minimalen Ansteuerdauer ASD1 = Delay-Time und einer zweiten Ansteuerdauer
ASD2 = (Delay-Time + ideale Ansteuerdauer für eine Norm-Kraftstoffmenge)
die Steigung der Einspritzventilkennlinie EKL für kleine Mengen individuell
bestimmt werden. Die Normkraftstoffmenge ist vorzugsweise in Größe der minimal
verwendeten Einspritzmenge, beispielsweise 1 mg Kraftstoff, festgelegt.
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Anstatt
der vorgestellten Position der Voreinspritzung können auch andere Positionen
gewählt werden,
an denen eine Voreinspritzung wirken kann. Diese kann ggf. auch
nach der Haupteinspritzung sein. Auch die Position der Haupteinspritzung
kann variieren und ggf. sogar vor dem Gaswechsel-OT liegen.
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Anstatt
der Verbrennungslage oder des indizierten Momentes können auch
andere Kenngrößen einer
Verbrennung betrachtet werden wie zum Beispiel maximaler Gradient,
Maximaldruck, Position des Maximaldruckes, Brenndauer, Geräusch der
Verbrennung usw. Weiterhin können
anstatt des Brennraumdrucksensors auch andere Sensoren verwendet werden.