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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anpassen
einer Einspritzcharakteristik nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und
eine Vorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Viele
Brennkraftmaschinen weisen eine Einspritzvorrichtung auf, wobei
diese über
Injektoren verfügt,
mit denen Kraftstoff in die Brennräume eingespritzt wird. Um die
Kraftstoffmenge optimal zu bemessen, werden die Injektoren oder
Einspritzventile mittels einer geeigneten Steuervorrichtung angesteuert.
Die Bemessung der Kraftstoffmenge erfolgt dabei in der Regel zeitgesteuert,
d. h. der Injektor wird für eine
genau festgelegte Zeit geöffnet
und anschließend
wieder geschlossen. Diese Zeit wird hier als Ansteuerdauer des Injektors
bezeichnet.
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Zumeist
liegt in einer Steuervorrichtung der Brennkraftmaschine ein Kennfeld
vor, welches eine Soll-Einspritzcharakteristik
festlegt, d. h. eine Zuordnung zwischen eingespritzter Kraftstoffmenge
und Ansteuerdauer. Eine genaue Einstellbarkeit der eingespritzten
Kraftstoffmenge ist wichtig, damit die Brennkraftmaschine an ihrem
optimalen Betriebspunkt arbeiten kann.
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Aufgrund
von fertigungsbedingten Streuungen oder altersbedingten Änderungen
der Injektoren bzw. der Brennkraftmaschine an sich kann eine Ist-Einspritzcharakteristik
von der Soll-Einspritzcharakteristik
abweichen. Dies bedeutet, dass die Zuordnung zwischen Ansteuerdauer
und eingespritzter Kraftstoffmenge im Ist-Zustand vom Soll-Zustand
abweichen kann. Da es sich bei den Änderungen zumeist um sehr kleine
Einspritzmengenänderungen handelt,
deren Absolutwert weitgehend unabhängig von der Ansteuerdauer
bzw. der Einspritzmenge ist, kann zum Anpassen der Einspritzcharakteristik
häufig
eine Kleinstmengenadaption vorgenommen werden.
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Eine
derartige Kleinstmengenadaption ist in der Druckschrift
DE 102 57 686 A1 genauer
beschrieben. Dabei wird eine ein Referenz-Einspritzverhalten wiedergebende
Einspritzventilcharakteristik eines angesteuerten Injektors einer
Brennkraftmaschine an alterungsbedingte Änderungen eines Ist-Einspritzverhaltens
angepasst, indem während
eines keine Kraftstoffeinspritzung erfordernden Betriebszustandes
der Brennkraftmaschine das Einspritzventil intermittierend gemäß einer
Ansteuerdauer angesteuert wird, während ansonsten keine Kraftstoffeinspritzung erfolgt,
so dass mindestens einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine mit
Ansteuerung mindestens ein Arbeitszyklus ohne Ansteuerung des Einspritzventils folgt
oder vorangeht und jeweils ein Drehzahlwert oder ein Wert einer
drehzahlabhängigen
Größe der Brennkraftmaschine
für den
Arbeitszyklus mit Ansteuerung und für mindestens einen der Arbeitszyklen
ohne Ansteuerung detektiert wird und eine Differenz der detektierten
Werte gebildet und damit eine Korrektur der Einspritzcharakteristik
vorgenommen wird.
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Das
Verfahren aus der genannten Druckschrift führt dann zu befriedigenden
Ergebnissen, wenn es sich bei der Brennkraftmaschine um eine Dieselmaschine
handelt. Ein Nachteil dieses Verfahrens hängt damit zusammen, dass für eine Berücksichtigung
des während
des Arbeitszyklus mit Ansteuerung gemessenen Werts lediglich vorausgesetzt
wird, dass eine Einspritzung stattgefunden hat. Da es bei Ottomotoren
bzw. Brennkraftmaschinen mit aktiver Zündung nicht zwangsläufig zu
einer Zündung
einer eingespritzten Kleinstmenge kommen muss, ist das dort offenbarte
Verfahren für
Brennkraftmaschinen mit aktiver Zündung nicht geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es also, ein entsprechendes Verfahren zum Anpassen
einer Einspritzcharakteristik vorzuschlagen, das zur Anwendung an
einem Ottomotor geeignet ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der ein solches Verfahren
durchführbar
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der
untergeordneten Ansprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Differenz zweier aufeinander folgender Segmentzeiten des
dem ausgewählten
Injektor zugeordneten Zylinders oder eine andere Größe, die
eine zeitliche Änderung
einer Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit wiedergibt, für den mindestens
einen Arbeitszyklus mit Ansteuerung des Injektors und für den mindestens
einen Arbeitszyklus ohne Ansteuerung des Injektors als Messwert
ermittelt. Als Segmentzeit wird hierbei die Zeit bezeichnet, welche
eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine für ein Überstreichen eines bestimmten
Winkelsegments benötigt.
Ein Winkelsegment kann dabei z. B. mit einer Größe von 720° geteilt durch die Anzahl der
Zylinder der Brennkraftmaschine definiert sein. Die Winkelsegmente
sollten so bestimmt werden, dass im Fall einer Ansteuerung des entsprechenden
Injektors eine in den Zylinder mittels Injektor eingespritzte Kraftstoffmenge
bei oder kurz vor Überstreichen
eines der zwei Winkelsegmente gezündet wird und so eine messbare
Veränderung
der Segmentzeit eintritt.
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Zwischen
den Messwerten der Arbeitszyklen mit und ohne Ansteuerung wird eine
Relation gebildet und diese zur Korrektur der Einspritzcharakteristik verwendet,
wobei zur Berücksichtigung
von Zündaussetzern
der mindestens eine Messwert für
den Arbeitszyklus mit Ansteuerung jeweils dahingehend geprüft wird,
ob dieser Messwert vom Messwert oder den Messwerten des Injektors
im Arbeitszyklus oder in den Arbeitszyklen ohne Ansteuerung signifikant abweicht.
Nur wenn dies der Fall ist, wird die genannte und ermittelte Relation
zur Korrektur der Einspritzcharakteristik verwendet. Bei der genannten
Relation kann es sich z. B. um eine Differenz zwischen dem Messwert
mit Ansteuerung des Injektors und dem Messwert ohne Ansteuerung
oder einem über
mehrere Arbeitszyklen erfassten Mittelwert für den Messwert ohne Ansteuerung
handeln oder um einen ähnlichen
Wert, der die tatsächliche
Einspritzmenge im Arbeitszyklus mit Ansteuerung des Injektors widerspiegelt.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt darin, dass Messwerte, bei deren Erfassung es zwar zu einer
Einspritzung kommt, jedoch zu keiner Zündung des eingespritzten Kraftstoffgemisches,
aussortiert werden. Dadurch wird eine Verfälschung der vorgenommenen Korrektur
aufgrund einer durch Zündaussetzer
verursachten fehlerhaften Einschätzung
der Ist-Einspritzcharakteristik verhindert. Da sich die Differenz
aufeinander folgender Segmentzeiten oder die andere Größe, die
eine zeitliche Änderung
der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit wiedergibt, bei einer Einspritzung
ohne Zündung nur
wenig von dem entsprechenden Messwert für den Arbeitszyklus ohne Einspritzung
unterscheidet, kann bei Kenntnis der Differenz zweier aufeinander folgender
Segmentzeiten bzw. des Messwertes für die genannte andere Größe für den Arbeitszyklus ohne
Ansteuerung eine zuverlässige
Entscheidung darüber
getroffen werden, ob es bei der Erfassung eines Messwerts mit Ansteuerung
zu einer Entzündung
des Kraftstoffes gekommen ist.
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Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, dass es weitgehend
von äußeren Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine unabhängig ist.
Die Segmentzeit bzw. die Drehzahl oder Umlaufgeschwindigkeit der
Brennkraftmaschine stellt keine konstante Größe dar, sondern lediglich die
Momentaufnahme einer in der Regel zeitlich veränderlichen Größe. Dadurch,
dass jeweils die Differenz zweier derartiger Größen bzw. die Winkelbeschleunigung
einer Kurbelwellenbewegung ermittelt wird, und die so erhaltenen
Messwerte mit und ohne Einspritzung verglichen werden, hat eine
reibungs- oder neigungsbedingte Abbremsung oder Beschleunigung der Brennkraftmaschine
keinen das Ergebnis verfälschenden
Einfluss auf das Verfahren. So wird eine zuverlässige und genaue Anpassung
der Ein spritzcharakteristik an die gewünschten Soll-Werte für die Einspritzmenge
möglich.
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Bei
der Messung kann die abgegebene Kraftstoffmenge durch einen Vergleich
der im Arbeitszyklus mit Ansteuerung und im Arbeitszyklus ohne Ansteuerung
wirkenden Drehmomentwerte berechnet werden. Das Drehmoment ist dabei
das Produkt aus Trägheitsmoment
und Winkelbeschleunigung, wobei die Winkelbeschleunigung beispielsweise über einen
Drehzahlgradienten oder eine Segmentzeitdifferenz während eines
Arbeitszyklus mit Ansteuerung und einen Drehzahlgradienten oder
eine Segmentzeitdifferenz während
eines Arbeitszyklus ohne Ansteuerung gebildet wird. Das Trägheitsmoment
der Brennkraftmaschine ist dabei durch die Schwungmasse von Kolben,
Kurbelwelle, Nockenwelle und eventuellen Schwungmassen beeinflusst und
stellt eine für
eine Brennkraftmaschine festliegende unveränderliche Größe dar.
Dabei kann zusätzlich
ein Faktor für
die innere Reibung der Brennkraftmaschine hinzugefügt werden,
wie beispielsweise in der Druckschrift
DE 102 57 686 A1 beschrieben. In
gleicher Weise sind in dieser Druckschrift mehrere Möglichkeiten,
einen Drehmomentwert aus Segmentzeiten oder Drehzahlgradienten zu
ermitteln, beschrieben.
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Besonders
bevorzugt wird das Verfahren über
mehrere Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine durchgeführt. Wenn
mehrere Zyklen, beispielsweise 10 bis 100, vorzugsweise 10 bis 20
Zyklen, verwendet werden, lässt
sich eine zuverlässige
und statistische Auswertung der Messwerte vornehmen. Dies ist insbesondere
deswegen wichtig, damit in Abhängigkeit
von den Messwerten, welche in den Arbeitszyklen ohne Ansteuerung
ermittelt werden, eine vernünftige
Schwelle bzw. ein vernünftiges
statistisches Maß ermittelt
werden kann, um Messwerte in Arbeitszyklen mit Ansteuerung des Injektors,
also mit Kraftstoffeinspritzung, bei welchen keine Zündung stattfindet, zu
detektieren.
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Vorzugsweise
werden die beschriebenen Schritte des Verfahrens zum Anpassen der
Einspritzcharakteristik sukzessive für min destens zwei, vorzugsweise
für alle
Injektoren der Brennkraftmaschine durchgeführt. Dabei ist es vorteilhaft,
wenn während eines
Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine jeweils ein Einspritzventil
angesteuert wird, um die Einspritzcharakteristik dieses Injektors
besonders genau studieren zu können.
Nach mehreren Arbeitszyklen, bei welchen dieser ausgewählte Injektor
angesteuert wurde, kann ein weiterer Injektor bzw. können nacheinander
alle Injektoren der Brennkraftmaschine in entsprechender Weise angesteuert
werden. Auf diese Weise lässt
sich die Einspritzcharakteristik nicht nur für einen einzelnen Injektor,
sondern für
die gesamte Brennkraftmaschine anpassen.
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Bevorzugt
wird das Verfahren zum Anpassen der Einspritzcharakteristik mittels
einer Steuerung vollzogen, welche vorzugsweise automatisch in jeder
Schubphase, d. h. während
eines keine Kraftstoffeinspritzung erfordernden Betriebszustandes der
Brennkraftmaschine, oder jeweils in oder nach einem bestimmten Brennkraftmaschinen-Laufzeitintervall
oder nach einem bestimmten Brennkraftmaschinen-Laufdistanzintervall
während
einer Schubphase durchgeführt
wird. Eine Anpassung der Einspritzcharakteristik sollte regelmäßig, muss
jedoch nicht fortlaufend vorgenommen werden. Mittels einer automatisierten
Steuerung können
sich Intervalle festlegen lassen, wobei sich hier beispielsweise
ein Laufdistanzintervall von etwa 10.000 km oder ein Laufzeitintervall
von etwa 50 Motorstunden anbieten würde. Selbstverständlich können diese
Größen entsprechend
den allgemeinen Erfahrungen mit Brennkraftmaschinen und den Anforderungen
im Alltag angepasst werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung des
Verfahrens werden die genannten Verfahrensschritte für mindestens
zwei verschiedene, vorzugsweise eine Vielzahl von Ansteuerdauern
durchgeführt.
Dadurch, dass die Verfahrensschritte über eine Vielzahl von Ansteuerdauern
vorgenommen werden, kann die gesamte Einspritzcharakteristik des
Injektors genauer angepasst werden, weil sich so auch eine Abhängigkeit
eines Drift der tatsächlichen
Einspritzmenge von der Ansteuerdauer ermitteln lässt. In einer bevorzugten Ausführung werden
dabei die Ansteuerdauern schrittweise erhöht, wobei die Schrittweite
von der gewünschten
Genauigkeit der Korrektur der Einspritzventilcharakteristik abhängt. In der
Regel werden zwei Schritte genügen,
mit denen eine Überprüfung bei
einer minimalen und bei einer etwas größeren Ansteuerdauer bzw. Einspritzmenge vorgenommen
wird.
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Besonders
vorzugsweise wird das Verfahren derart durchgeführt, dass ein zum Ansteuern
eines Injektors dienendes Kennfeld bei der Korrektur angepasst wird,
wobei das Kennfeld die Ansteuerdauer, vorzugsweise abhängig von
Temperatur und/oder Kraftstoffdruck und/oder weiteren Parametern,
in Relation setzt zur Einspritzmenge oder zu einer die Einspritzmenge
festlegenden Größe, beispielsweise
zu einem Soll-Drehmoment. Im laufenden Betrieb verändert sich
die innerhalb einer bestimmten Ansteuerdauer eingebrachte Kraftstoffmenge,
so dass die Relation zwischen beiden neu bestimmt werden muss. Durch
das Vorhalten der Relation in einem Kennfeld können die innerhalb des Verfahrens
gewonnenen Werte zur Motorsteuerung und zum Anpassen der Einspritzcharakteristik
verwendet werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn außer der
Ansteuerdauer auch die Einspritzmenge beeinflussende Temperatur
und/oder der Kraftstoffdruck vermerkt sind, um eine genauere Ansteuerung
der Injektoren zu ermöglichen.
Die beschriebene Kleinstmengenadaptation ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn während des
normalen Betriebszustandes die Ventile oder Injektoren die Brennräume der
Brennkraftmaschine für jeden
Arbeitstakt mit einer Mehrzahl zumindest teilweise kleiner Einspritzungen
füllen.
Mit einem genau angepassten Kennfeld zuvor beschriebener Art kann erreicht
werden, dass beispielsweise strenge Abgasnormen eingehalten werden
können,
da die Toleranzen bei den Injektoren sehr gering gehalten werden können. Auch
kann durch eine mit der Erfindung auch langfristig mögliche genaue
Ansteuerung der Injektoren ein besonders wirtschaftlicher Betrieb
realisiert werden.
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Hinsichtlich
der Entscheidung, ob ein in einem Arbeitszyklus mit Ansteuerung
gewonnener Messwert signifikant von einem Messwert aus einem Arbeitszyklus
ohne Ansteuerung abweicht, können die
Messwerte sowohl der Arbeitszyklen mit Ansteuerung als auch die
Messwerte der Arbeitszyklen ohne Ansteuerung gemessen werden und
dann eine Auswertung aller Messwerte vorgenommen werden. Dabei ist
es vorteilhaft, wenn sich ein Arbeitszyklus mit Ansteuerung eines
Injektors und ein Arbeitszyklus ohne Ansteuerung abwechseln.
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Alternativ
dazu könnten
auch zuerst mehrere Arbeitszyklen ohne Ansteuerung durchlaufen werden,
wobei anhand der dadurch gewonnenen Werte eine statistische Auswertung
der Messwerte der Arbeitszyklen ohne Ansteuerung vorgenommen wird. Anschließend können dann
Messgrößen, welche
beispielsweise aus einer Differenz von Messwerten aus einem Arbeitszyklus
mit Ansteuerung und einem Arbeitszyklus ohne Ansteuerung ermittelt
wurden, einzeln mit der statistischen Auswertung der Messwerte der
Arbeitszyklen ohne Ansteuerung verglichen um so für jeden
mit Einspritzung einer Kleinstmenge erfassten Messwert einzeln zu
ermitteln, ob eine Zündung
vorlag oder nicht.
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Aus
den Messwerten, welche in Arbeitszyklen ohne Ansteuerung aufgenommen
werden, kann eine statistische Verteilung ermittelt werden. Diese kann
mittels einer Normal- oder Gleichverteilung genähert werden, indem insbesondere
der Mittelwert und die Varianz der Verteilung ermittelt werden.
Aus der Varianz kann dann die Standardabweichung ermittelt werden.
Ein Kriterium dafür,
ob es bei einem Messwert im Arbeitszyklus mit Ansteuerung zu einer Zündung kam
oder nicht, kann eine von der Standardabweichung abhängige Größe sein,
z. B. ein Vielfaches der Standardabweichung. Es ist jedoch auch
möglich,
anhand des Mittelwertes und der Varianz eine für eine Berücksichtigung eines Messwerts mit
Einspritzung geforderte minimale Absolutabweichung vom Mittelwert
der Messwerte ohne Einspritzung als Bemessungsgrundlage zu bilden.
Die Entscheidung, ob ein in einem Arbeitszyklus mit Ansteuerung
gewonnener Messwert ein zu berücksichtigender
Messwert ist und in die Auswertung zum Anpassen der Einspritzcharakteristik
eingehen soll, ist dann positiv, wenn ein Messwert aus einem Arbeitszyklus mit
Ansteuerung signifikant von der Verteilung der Messwerte im Arbeitszyklus
ohne Ansteuerung abweicht. Das für
Messwerte Beschriebene gilt selbstverständlich auch für Messgrößen, welche
aus mehreren Messwerten generiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann ebenso dahingehend modifiziert werden, dass durch die Variation
mindestens eines Parameters, beispielsweise des Ansteuerzeitpunkts
des Injektors, eine Einstellung ermittelt wird, bei der die Anzahl
der Zündaussetzer
minimiert ist. Dies lässt
sich anhand der auftretenden Ereignisse mit und ohne Zündung leicht
durch statistisches Auswerten realisieren. Dadurch wird ein runderer
und wirtschaftlicherer Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.
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Besonders
bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem nach der Messung der Werte
im Arbeitszyklus mit und ohne Ansteuerung die Ansteuerdauer eines Injektors
derart angepasst wird, dass ein Soll-Wert für die Einspritzung der Kleinstmenge
bzw. ein Soll-Wert für
eine Kraftstoffmenge erreicht wird und diese Änderung im Betriebszustand
der Brennkraftmaschine auch unter Belastung berücksichtigt wird. Die für die Kleinstmenge
ermittelte Korrektur kann also in vorteilhaft einfacher Weise als
Offset-Korrektur auf alle – in
der Regel größeren – Einspritzungen angewandt
werden.
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Vorzugsweise
wird das Verfahren zum Anpassen einer Einspritzcharakteristik durch
eine Vorrichtung ausgeführt,
die technisch so ausgebildet ist, dass das Verfahren als Programm
durchgeführt
werden kann und implementiert ist. Besonders vorzugsweise ist die
Vorrichtung mit einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine verbunden.
Dabei kann das Verfahren als Software oder als Hardwareverschaltung
in der Steuereinheit implementiert sein. Vorzugsweise kann die Software
mittels eines Updates in eine bereits bestehende Motorsteuerung
einer Brennkraftmaschine übertragen
werden und seine Wirkung be reits dort entfalten. In einer weiteren
bevorzugten Ausbildung umfasst die Vorrichtung einen Sensor zum
Erfassen von Segmentzeiten einer Kurbelwellenbewegung der Brennkraftmaschine und/oder
einer momentanen Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit. Damit werden
die zu messenden Größen erfasst
und anschließend
in der Vorrichtung ausgewertet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt
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1A eine
Darstellung des Verfahrens zum Anpassen der Einspritzcharakteristik
gemäß dem Stand
der Technik bei Dieselmotoren;
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1B eine
Darstellung des Verfahrens zur Anpassung der Einspritzcharakteristik
mit einer Brennkraftmaschine mit aktiver Zündung;
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2A ein
erläuterndes
Diagramm zur Segmentzeit;
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2B ein
Diagramm bezüglich
des Drehzahlgradienten;
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3 eine
Verteilung der Drehzahlgradienten mit und ohne Ansteuerung;
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4 verschiedene
Verteilungen des Drehzahlgradienten für unterschiedliche Anzahlen
von Zündaussetzern.
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Mittels
eine Injektors wird eine Kraftstoffmasse K in einen Brennraum, also
in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, eingebracht. Der Injektor
wird dabei mittels einer entsprechenden Steuereinheit zum Abgeben
der Kraftstoffmasse K angesteuert, d. h. der Injektor erhält eine
Anweisung, sich für
die Ansteuerdauer zu öffnen.
Aufgrund von mechanischen und elektrischen Gegebenheiten gibt der
Injektor erst ab einem gewissen Wert der Ansteuerdauer eine Kraftstoffmenge
ab. Dieser Wert entspricht also der kürzesten Ansteuerdauer, bei
welcher Kraftstoff abgegeben werden kann. Zu den genauen Ausführungen
bezüglich
der minimalen Ansteuerdauer sei hier nochmals auf die Druckschrift
DE 102 57 686 A1 ,
dort insbesondere
1, verwiesen.
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In 1A ist
ein Drehzahlverlauf 1 einer Brennkraftmaschine während einer
Schubphase gezeigt. Ein einzelner Injektor der Brennkraftmaschine, welcher
vorab ausgewählt
ist, wird mittels eines Ansteuersignals 2 dazu angewiesen,
in jedem zweiten Arbeitszyklus eine Ansteuerung des Injektors zur Einspritzung
eine Kleinstmenge vorzunehmen, diesen Arbeitszyklus also als Arbeitszyklus
mit Einspritzung 3 durchzuführen. Zwei Arbeitszyklen mit
Einspritzung 3 werden dabei jeweils durch einen Arbeitszyklus
ohne Ansteuerung des entsprechenden Injektors, also als Arbeitszyklus
ohne Einspritzung 4 getrennt. Die eingezeichnete Breite
des Ansteuersignals 2 in den Arbeitszyklen mit Einspritzung 3 entspricht
dabei nicht der Zeit, über
welche der Injektor geöffnet
ist, sondern der Periode eines gesamten Arbeitszyklus. Der eigentliche
Steuerimpuls ist sehr viel kürzer
und wird zu einem Zeitpunkt gegeben, welcher in der Regel kurz vor
einem oberen Totpunkt vor einem Arbeitstakt des entsprechenden Zylinders
liegt.
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Der
Drehzahlverlauf 1 zeigt eine fallende Drehzahl an. Dabei
verläuft
der Drehzahlverlauf 1 jedoch nicht gleichmäßig, sondern
entsprechend dem Ansteuersignal 2 aufgrund der Kraftstoffeinspritzungen
in einer leichten Treppenform. Die Brennkraftmaschine befindet sich
dabei im ausgekuppelten Zustand, wobei außer der Kleinstmengen-Kraftstoffeinspritzung
keinerlei weitere Last an die Maschine gekoppelt wird. Es ist deutlich
zu sehen, dass der Drehzahlverlauf mit Kleinstmengeneinspritzung 5 flacher verläuft, d.
h. die Drehzahl weniger schnell abfällt, wenn es zu einer Ansteuerung
des Injektors kommt, als beim Drehzahlverlauf ohne Kleinstmengeneinspritzung 6,
bei welchem kein Kraftstoff in den Zylinder eingebracht wird. Bei
einem Arbeitszyklus mit Einspritzung 3 kommt es aufgrund
einer Zündung
der eingespritzten Kraftstoffmenge zu einem Drehmoment, welches
auf die Brennkraftmaschine wirkt und sich durch den – im Vergleich
zum Drehzahlverlauf 6 ohne Ansteuerung – nicht so stark abfallenden
Drehzahlverlauf 5 bemerkbar macht.
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Der
Drehzahlverlauf 1 kann über
Segmentzeiten ermittelt werden. Die Segmentzeit gibt im Wesentlichen
die momentane Geschwindigkeit der Kurbelwelle wieder. Diese entspricht
einem bestimmten Drehzahlwert, welcher zumeist auf die Minute bezogen
wird. Die Differenz zweier Drehzahlwerte oder zweier Segmentzeiten
kann, normiert auf das Zeitintervall eines Arbeitszyklus, den Gradienten
des Drehzahlverlaufs oder eine zeitliche Änderung einer Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit
wiedergeben. So lässt
sich einfach eine Lehre angeben, wie aus den Segmentzeiten der Drehzahlverlauf 1 der 1A gefunden
werden kann. In der 1A ist im Wesentlichen eine ”perfekte” Brennkraftmaschine
gezeigt, da diese bei jeder Ansteuerung mit Einspritzung ein Drehmoment
in Folge einer Zündung
verzeichnet, das sich in den mit ”+” bezeichneten Drehzahlverläufen 5 und
den mit ”–” gekennzeichneten
Drehzahlverläufen 6 niederschlägt. Dieser
Verlauf ist bei einer Dieselmaschine realistisch, da hier aufgrund
physikalischer Begebenheiten eine Selbstentzündung der Kraftstoffmenge eintritt.
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In
der 1B ist ein vergleichbarer Drehzahlverlauf 1' eines Ottomotors
gezeigt, welcher unter anderem einen Bereich aufweist, in welchem
sich der Drehzahlverlauf 1' trotz
einer Ansteuerung des Injektors sich nicht wesentlich von den benachbarten Drehzahlverläufen ohne
Kleinstmengeneinspritzung 6 unterscheidet. Dieser Fall
tritt ein, wenn es trotz einer Kraftstoffeinspritzung zu keiner
Zündung
des Kraftstoffgemisches kommt, beispielsweise weil sich nicht genug
Kraftstoff oder zündfähiges Gemisch
in unmittelbarer Umgebung einer Zündkerze des entsprechenden
Zylinders befindet, und somit kein Drehmoment auf die Kurbelwelle
wirkt. So ergibt sich in dem genannten Bereich ein Drehzahlverlauf
mit Zündaussetzer 7,
der sich im Wesentlichen nicht von den Drehzahlverläufen ohne
Kleinstmengeneinspritzung 6 unterscheidet, aber stark von
den Drehzahlverläufen
mit Kleinstmengeneinspritzung 5 abweicht, bei denen es
zu einer Zündung
der eingespritzten Kraftstoffmenge und damit zum Wirken eines Drehmoments
kommt.
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Der
in 1B gezeigte Drehzahlverlauf 1' wird durch
Erfassen der entsprechenden Segmentzeiten mit einem Sensor ermittelt,
der eine Kurbelwellenbewegung abtastet. Dabei werden insbesondere Differenzen
zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Segmentzeiten als Messwerte
erfasst, die eine Drehzahländerung
bzw. eine Änderung
der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit wiedergeben. Beim Auswerten
dieser Messwerte zum Zweck einer Anpassung oder Korrektur einer
Einspritzcharakteristik des Ottomotors an alterungsbedingte Änderungen oder
fertigungsbedingte Streuungen eines Ist-Einspritzverhaltens wird nun ein Messwert,
der dem den Drehzahlverlauf mit Zündaussetzer 7 wiedergebenden
Abschnitt des Drehzahlverlaufs 1' entspricht, detektiert und verworfen,
da dieser Drehzahlverlauf mit Zündaussetzer 7 sich
offensichtlich nicht signifikant von den Drehzahlverläufen ohne
Einspritzung 6 abhebt. Dies wird anhand 2B nochmals
ausführlicher
beschrieben.
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In 2A ist
in einem Diagramm ein Zeitverlauf eines Segmentzeitsignals 8 gezeigt.
Auf der Abszisse ist dabei die fortlaufende Zeit t aufgetragen, auf
der Ordinate die Segmentzeit Tα, also diejenige Zeit
ist, welche die Kurbelwelle benötigt,
um ein gewisses Winkelsegment zurückzulegen. Die Darstellung
der 2A bezieht sich auf einen Vierzylindermotor, welcher
(aus dem Diagramm nicht ersichtlich) mit einem Viertaktverfahren
betrieben wird. Ein Arbeitszyklus ist hier in vier Winkelsegmente
von jeweils 180° eingeteilt,
die jeweils einem Arbeitstakt eines der mit I bis IV bezeichneten
Zylinder zugeordnet ist, wobei die gemessenen Segmentzeiten in der
Darstellung der 2A jeweils bis zur Vollendung
eines Arbeitszyklus aufaddiert werden. Es können jedoch auch beliebig kleinere
oder relativ verschobene Intervalle gewählt werden. In dem hier gezeigten
Verlauf des Segmentzeitsignals 8 wird ein Injektor des
zweiten Zylinders II angesteuert. So ist beispielsweise in einem
ersten dem Zylinder II zugeordneten Intervall, das in einen Arbeitzyklus
ohne Einspritzung 4 fällt, die
Segmentzeit TII,1 eingetragen. Zudem ist
auf der Ordinate die Umlaufdauer T+ für einen Durchlauf des Arbeitszyklus
ohne Einspritzung 4 aufgetragen.
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In
einem darauf folgenden Arbeitszyklus wird der Injektor des Zylinders
II mittels eines Steuerimpulses 9 angesteuert. Hier kommt
es aufgrund der Einspritzung einer Kleinstmenge und der daraufhin erfolgenden
Zündung
zu einem auf die Kurbelwelle übertragenen
Drehmoment, wodurch diese das dem Zylinder II zugeordnete Winkelsegment
in einer kürzeren
Zeit TII,2 durchläuft. Ebenso ist die entsprechende
Umlaufdauer T–,
also einer Gesamtdauer des Arbeitszyklus mit Einspritzung 3,
kürzer
als die Gesamtdauer T+ des Arbeitszyklus ohne Einspritzung 4.
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Aus
den Segmentzeiten Tα und den Umlaufdauern
T– und
T+ eines Arbeitszyklus mit Einspritzung 3 oder eines Arbeitszyklus
ohne Einspritzung 4 kann eine momentane Drehzahl, d. h.
eine Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, bestimmt werden. Deren
Werte werden beispielsweise, wie in den 1A, 1B gezeigt,
in einen Drehzahlverlauf 1, 1' umgewandelt. Es ist jedoch auch
möglich, über die
Umlaufdauer T+ bzw. T– zu
einem ähnlichen
Ergebnis zu kommen, da die Umlaufdauer im Wesentlichen umgekehrt
proportional zur Drehzahl ist.
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In
der 2B ist das Verhältnis von fortlaufender Zeit
t und einem Drehzahlgradienten ΔN
gezeigt. Auf der Zeitachse sind verschiedene Abschnitte den einander
abwechselnden Arbeitszyklen mit Einspritzung 3, 3' und Arbeitszyklen
ohne Einspritzung 4, 4' zugeordnet, wie bereits anhand 2A beschrieben.
Dabei bezieht sich 2B auf einen Achtzylinder-Ottomotor, bei dem
in einer Schubphase in einem ausgewählten Zylinder mit dem entsprechenden
Injektor in jedem zweiten Arbeitszyklus eine Kleinstmenge eingespritzt
wird, die keinen merklichen Vortrieb verursachen, sondern nur einer
Kleinsmengenadaption geschilderter Art dienen soll. In 2B sind
dementsprechend Steuerimpulse 9 eingezeichnet, welche hier
symbolhaft andeuten sollen, dass zu jedem zweiten Arbeitszyklus
eine Ansteuerung des ausgewählten
Injektors erfolgt. Zwischen den Steuerimpulsen ist eine Treppenfunktion
eingezeichnet, die mit acht verschiedenen Werten jeweils eines von
acht Winkelsegmenten – hier
jeweils mit einer Größe von 90° Grad festgelegt – für jeden
Arbeitszyklus angibt. Der Drehzahlgradient ΔN entspricht einer Winkelbeschleunigung.
Ein ähnlicher Verlauf
ergäbe
sich für
die schon genannte als Differenz zweier aufeinander folgender Segmentzeiten aus
jedem Arbeitzyklus definierte Messgröße die ebenfalls ein Maß für die Kurbelwellenwinkelbeschleunigung
ist.
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Zum
einen ist in 2B die für jeden Arbeitszyklus mit Einspritzung 3, 3' einmal gemessene
Winkelbeschleunigung mit Kleinstmengeneinspritzung 10 aufgetragen.
Der Verlauf dieser Drehbeschleunigung 10 ist stark stufenartig.
Im Wesentlichen lassen sich zwei Gruppen von Werten für diese
Messgröße festlegen:
zum einen Winkelbeschleunigungen mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11 und
zum anderen Winkelbeschleunigung mit ungezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11'.
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Des
Weiteren ist die für
jeden Arbeitszyklus ohne Einspritzung 4, 4' einmal gemessene
Winkelbeschleunigung ohne Kleinstmengeneinspritzung 12 gezeigt.
Es ist deutlich erkennbar, dass die Winkelbeschleunigungen mit ungezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11' in einem Wertebereich
liegen, welcher im Wesentlichen der Winkelbeschleunigung ohne Kleinstmengeneinspritzung 12 entspricht.
Nach einer Vielzahl von Einzelmessungen lässt sich für die Winkelbeschleunigung
ein Streuungsintervall der Messwerte ohne Kleinstmengeneinspritzung 50 festlegen.
Dieses ist in der 2B als schraffierter Bereich
gezeigt. Als Kriterium für
die Größe des Streuungsintervalls
der Messwerte ohne Kleinstmengeneinspritzung 50 kann dabei
eine Abweichung vom Mittelwert um ein Vielfaches der Standardabweichung
oder eine Absolutabweichung vom Mittelwert oder eine Absolutabweichung
vom Maximalwert der Messwerte der Winkelbeschleunigung ohne Kleinstmengeneinspritzung 12 verwendet
werden.
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Es
ist leicht zu erkennen, dass die Messwerte für die Winkelbeschleunigung
mit ungezündeter Einspritzung 11', aufgenommen in
Arbeitszyklen, bei welchen zwar eine Kleinstmengeneinspritzung vorgenommen
wird, diese Kleinstmenge jedoch nicht gezündet wird, sich im Wesentlichen
alle innerhalb des Streuungsintervalls der Messwerte ohne Kleinstmengeneinspritzung 50 befinden.
Diese Messwerte weichen also im Wesentlichen nicht signifikant von den
Messwerten ohne Ansteuerung bzw. den daraus gebildeten Größen ab.
Nachdem die Messwerte für die
Winkelbeschleunigung mit ungezündeter
Kleinstmengeneinspritzung 11' als
Fehlzündungen
zuzuordnen erkannt worden sind, kann mit den verbliebenen Messwerten
für die
Winkelbeschleunigung mit gezündeter
Kleinstmengeneinspritzung 11 ebenfalls ein Streuungsintervall,
nämlich
ein Streuungsintervall der Messwerte mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung 60,
gebildet werden. Dieses ist in 2B ebenfalls
als schraffierter Bereich eingezeichnet.
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Dies
soll noch einmal näher
in der 3 erläutert
werden. In der 3 ist auf der Abszisse der Wert
des Drehzahlgradienten ΔN
aufgetragen, auf der Ordinate die Anzahl der aufgetretenen Ereignisse bzw.
die Verteilung p der Drehzahlgradienten. Die Messwerte für die Winkelbeschleunigung
mit Kleinstmengeneinspritzung 10 sind in einem Histogramm oder
einer Verteilung mit zwei Teilbereichen, nämlich einem die Winkelbeschleunigung
mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11 wiedergebenden
Teilbereich 100 und einem die Winkelbeschleunigung mit
ungezündeter
Kelinstmengeneinspritzung 11' wiedergebenden
Teilbereich 110, dargestellt. Des Weiteren ist ein Histogramm
oder eine Verteilung 120 der Winkelbeschleunigung ohne
Kleinstmengeneinspritzung 12 gezeigt. Dabei wurden alle
Verteilungen an eine Gauß'schen Verteilung
genähert,
wobei die Messwerte für
die Winkelbeschleunigungen mit gezündeter und ungezündeter Kleinstmengeneinspritzung 11 und 11' getrennt behandelt
wurden.
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Es
ist deutlich erkennbar, dass die erstgenannte Verteilung im Teilbereich 110 innerhalb
der Verteilung 120 liegt. Ebenso ist erkennbar, dass der Teilbereich 100 der
erstgenannten Verteilung statistisch gesehen weit vom Histogramm 120 und vom Histogramm 110 entfernt
ist. Auch ein leichtes Überlappen
des Teilbereichs 100 mit der Verteilung 120 könnte zu
großen
Teilen noch statistisch behandelt und analysiert werden. Ist die
Verteilung 120 einmal ermittelt, kann relativ zuverlässig vorhergesagt
werden, ob eine Messwert des Verlaufs der Winkelbeschleunigung mit
Kleinstmengeneinspritzung 10 zu den Messwerten für die Winkelbeschleunigung
mit gezündeter
Kleinstmengeneinspritzung 11 oder zu den Messwerten für die Winkelbeschleunigung
mit ungezündeter
Kleinstmengeneinspritzung 11' zugehörig ist.
Auf diese Weise wird deutlich, dass das hier erläuterte Verfahren zum Detektieren
von Fehlzündungen
und dem Verwerfen der während
der Fehlzündungen
gemachten Messwerte die bisherigen Verfahren zum Anpassen einer
Einspritzcharakteristik ergänzt
und insbesondere für
Ottomotoren zugänglich
macht.
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In
den Fällen
der hier dargestellten Figuren wurde jeweils ein Injektor angesteuert,
um das Anpassen der Einspritzcharakteristik zu ermöglichen. Selbstverständlich können sukzessiv
auch zwei oder vorzugsweise alle Injektoren der Brennkraftmaschine angesteuert
werden, so dass die Einspritzcharakteristik für alle Injektoren angepasst
wird.
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Die
hier gezeigten Messwerte und die daraus ermittelten Werte werden
vorzugsweise mittels einer Steuerung ausgewertet. Ebenso kann es
sinnvoll sein, dass das Verfahren für mindestens zwei verschiedene,
vorzugsweise eine Vielzahl von Ansteuerdauern durchgeführt wird,
da so die Einspritzcharakteristik optimal angepasst werden kann.
Dazu gehört auch,
dass die oftmals innerhalb eines Kennfeldes abgespeicherten Wertepaare
Ansteuerdauer zu Kraftstoffmenge dahingehend korrigiert werden,
dass beim Anpassen der Einspritzcharakteristik die neuen Ansteuerdauern
zu den Kraftstoffmengen zugeordnet werden. Selbstverständlich kann
das Verfahren auch dahingehend variiert werden, dass das Einspritzen
zu unterschiedlichen Ansteuerzeitpunkten oder bei unterschiedlichen
Kraftstoffdrücken
erfolgt, was insbesondere dann interessant ist, wenn der Einspritzvorgang
eines Injektors in mehrere Schritten er folgt, d. h. die gesamte
eingespritzte Kraftstoffmenge durch mehrmaliges Öffnungen des Injektors vollzogen
wird.
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Eine
weitere interessante Variante des Verfahrens wird anhand von 4 beschrieben.
In 4 sind zwei Verteilungen zu sehen, eine erste Verteilung
aus den Teilbereichen 100 und 110 und eine zweite
Verteilung aus den Teilbereichen 100' und 110'. Die Teilbereiche 100, 100' der Histogramme
geben Drehzahlgradienten an, welche bei einer Ansteuerung des Injektors
zur Kleinstmengeneinspritzung bei einer Zündung aufgezeichnet worden sind.
Analog dazu sind die Teilbereiche 110, 110' diejenigen
Teile der jeweiligen Verteilung, bei welchen es trotz Einspritzung
zu keiner Entzündung
des Gemisches kam. Die unterschiedlichen Verteilungen wurden aufgrund
einer Variation von entweder Ansteuerdauer, Ansteuerzeitpunkt oder
weiteren dem Fachmann bekannten Parametern, welche einen Einfluss
auf die Einspritzcharakteristik haben können, ermittelt. Auf diese
Weise kann eine Einspritzcharakteristik gefunden werden, welche,
wie die Verteilung mit den Teilbereichen 100 und 110 zeigt,
besonders wenige Zündaussetzer
aufweist. Eine derartige Einspritzcharakteristik kann wiederum in
einem Kennfeld abgespeichert bzw. abgelegt werden.
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Bei
dem anhand der 1 bis 4 beschriebenen
Verfahren wird nach Auswertung der Einspritzcharakteristik eines
Injektors im Arbeitszyklus jeweils mit und ohne Ansteuerung des
Injektors die Ansteuerdauer des gewählten Injektors derart angepasst,
dass ein Soll-Wert der Abweichung der Messwerte für die Arbeitszyklen
mit Ansteuerung des Injektors und Zündung von den Messwerten bzw.
einem Mittelwert der Messwerte ohne Ansteuerung für die Einspritzung
der Kleinstmenge erreicht wird, wobei eine dafür vorgenommene Änderung
oder Korrektur als Offset-Korrektur im Betriebszustand der Brennkraftmaschine
auch für
größere Einspritzungen berücksichtigt
wird. Dies bedeutet, dass auch im normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine,
d. h. unter Beschleunigung und dauerhaftem Lastbetrieb, die mittels
Kleinstmengenadaption ermittelten Ansteuerdauer-Kraftstoffmengen-Paare
herbeigezogen werden, um auch für
größere Einspritzmengen korrigierte
Ansteuerdauern zu bestimmen und so einen wirtschaftlichen und runden
Lauf der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
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Die
Kleinstmengenadaption, bei der die Einspritzcharakteristik in beschriebener
Weise mit einer Korrektur von Ansteuerzeiten für gewünschte Einspritzmengen angepasst
wird, z. B. zur Kompensation einer Drift des Einspritzverhaltens
des entsprechenden Injektors, wird so vorgenommen, dass von den
Messwerten für
die Winkelbeschleunigung mit Kleinstmengeneinspritzung 10 nur
diejenigen verwendet werden, die Winkelbeschleunigungen mit gezündeter Kleinstmengeneinspritzung
wiedergeben. Dazu werden die Messwerte mit Hilfe der beschriebenen
statistischen Kriterien darauf geprüft, ob sie signifikant von
den Messwerten in den Arbeitszyklen ohne Einspritzung abweichen,
und verworfen, wann das nicht der Fall ist.