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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer direkt einspritzenden
Brennkraftmaschine, insbesondere eines 4-Takt-Ottomotors, mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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In
der
DE 10 2005
044 544 A1 wird ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Betrieb einer Brennkraftmaschine beschrieben. Dabei wird ein
Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Zylinder der Brennkraftmaschine
eingespritzt und mittels einer Zündvorrichtung fremd gezündet.
Die Brennkraftmaschine kann dabei in einem so genannten Schichtbetrieb
betrieben werden. Dazu wird abhängig von zumindest einer
Last der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel bestimmt, bei dem eine
erste Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, durch die in dem Zylinder
ein weitgehend homogenes, mageres Kraftstoffgemisch erzeugt wird.
Durch eine zweite Einspritzung von Kraftstoff in Abhängigkeit
zu dem Kurbelwinkel wird eine im Vergleich zu der homogenen, mageren
Kraftstoffgemischzone eine fettere in die homogene, magere Kraftstoffgemischzone
eingebettete Kraftstoffgemischwolke erzeugt. Anschließend
erfolgt zumindest zeitnah zu einem Zündzeitpunkt und ortsnah
zu der Zündvorrichtung eine dritte Einspritzung von Kraftstoff
zur Erzeugung eines lokal im Bereich der Zündvorrichtung
angefetteten und zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches.
Ziel dieses bekannten Verfahrens ist eine Erweiterung des Betriebsbereiches,
in dem die Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss bei akzeptablen
Schadstoffemissionen betrieben werden kann.
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In
bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann
sich die derzeit in modernen Kraftfahrzeugen übliche Verwendung
von Abgasnutzungssystemen, wie z. Bsp. die Verwendung von einem
Abgasturbolader oder von einer Abgas- Abwärmenutzung, negativ
auf die Katalysatortemperatur zumindest eines im Abgasstrom angeordneten
Abgaskatalysators auswirken.
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Dabei
ist es möglich, dass die Katalysatortemperatur des zumindest
einen Abgaskatalysators unterhalb eine Betriebstemperatur fällt,
ab der keine ausreichende Umsetzung von Schadstoffen durch den zumindest
einen Abgaskatalysator mehr möglich ist, so dass vorgegebene
Schadstoffemissionswerte nicht mehr eingehalten werden können.
Wenn z. Bsp. eine Brennkraftmaschine in einem so genannten Schichtbetrieb
mit sehr hohem Luftüberschuss betrieben wird, kann dies,
insbesondere bei niedrigen Lasten, zu niedrigen Abgastemperaturen
führen. In dem Schichtbetrieb wird der Kraftstoff erst
in einen Kompressionshub bzw. während des Verdichtungsprozesses
eingespritzt. Dadurch reicht die Zeit zur homogenen Durchmischung
von Luft und Kraftstoff nicht aus und das Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ innerhalb
des Brennraumes ist nicht konstant. In der Nähe der Zündvorrichtung
bildet sich dabei eine brennbare Kraftstoffgemischwolke aus, während
im Bereich einer Zylinderwand ein Gemisch aus einem Inertgas, insbesondere
Abgas aus der Abgasrückführung, und Frischgas
vorliegt. Dieser verbrauchsgünstige Betrieb ist bei niedriger
Last und Drehzahl möglich. Dadurch kann allerdings die
Katalysatortemperatur des zumindest einen Abgaskatalysators im Abgasstrom
unterhalb dessen Betriebstemperatur absinken. Tritt dies ein, dann
ist der Abgaskatalysator nicht mehr in der Lage, z. Bsp. Kohlenmonoxid
oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid aufzuoxidieren.
Damit die vorgegebenen Schadstoffemissionswerte eingehalten werden
können, müssen deshalb Maßnahmen zur
Erwärmung des Abgaskatalysators, wie z. B. durch Umschalten
in den Homogenbetrieb, getroffen werden. Im Homogenbetrieb herrscht
im gesamten Brennraum dasselbe Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ vor.
Durch die Nutzung des gesamten Brennraumvolumens wird eine hohe Leistungsdichte
erzielt, wobei die Einspritzung im frühen Ansaugtakt stattfindet.
Dies bedeutet in den meisten Fällen jedoch einen beträchtlichen
Mehrverbrauch an Kraftstoff.
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Aber
es ist auch im Homogenbetrieb ein Absinken der Katalysatortemperatur
unter die Betriebstemperatur möglich. In diesem Fall könnte
durch einen Spätzug des Zündzeitpunkts der Wirkungsgrad des
Motors bewusst verschlechtert werden, was zu höheren Abgastemperaturen
auf der einen Seite führt, aber wiederum auch eine spürbare
Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionswerte
mit sich bringt. Des Weiteren ist die Erhöhung der Abgastemperatur
durch bspw. einen Zündwinkelspätzug oder durch
Umschalten in den Homogenbetrieb nur bedingt wirksam, da eine eventuell
in dem Abgasstrom positionierte Abgasabwärmenutzung diesen
zum Aufheizen des Abgaskatalysators notwendigen Effekt der Temperaturerhöhung
des Abgases durch einen Wärmeentzug aus dem Abgas verringert.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein gattungsgemäßes Verfahren zum
Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere
eines 4-Takt-Ottomotors, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform
anzugeben, das sich insbesondere durch eine verringerte Schadstoffemission
und einen reduzierten Kraftstoffverbrauch auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Verfahren
zum Betrieb einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere
eines 4-Takt-Ottomotors, den Kraftstoff mittels eines Injektors
in einen Zylinder der Brennkraftmaschine so einzuspritzen, dass
sich durch Einstellen zumindest eines Einspritzparameters des Einspritzprozesses
ein derartiges Kraftstoffgemisch im Zylinder erzeugt werden kann,
dass nach einer Zündung durch eine Zündeinrichtung
der Kraftstoff in dem Zylinder so zu einem Abgasgemisch verbrennt,
dass eine so große Menge an Energieträgern im
Abgas verbleibt, dass ein Abgaskatalysator durch eine exotherme
Reaktion der Energieträger auf dem Abgaskatalysator auf
eine Betriebstemperatur aufgeheizt und/oder auf bzw. oberhalb der
Betriebstemperatur gehalten werden kann. Durch gezielte Modifikation des
Einspritzprozesses in der oben beschriebenen Art und Weise ist es
möglich, dass ein Absinken der Katalysatortemperatur unter
eine Betriebstemperatur, die zur Einhaltung der Schadstoffemissionswerte notwendig
ist, verhindert werden kann. Besonders vorteilhaft an diesem Verfahren
ist die durch die Energieträger in chemischer Form im Abgas
gespeicherte Energie. Dabei kann der Abgaskatalysator über
die exotherme Reaktion der im Abgas verbliebenen Energieträger
mit Restsauerstoff aufgeheizt werden. Besonders vorteilhaft ist,
dass in diesem Fall z. B. eine Abgasabwärmenutzung die
in Form der Energieträger gespeicherte Energie nicht aus
dem Abgas abziehen kann und dass die Wärme zur Aufheizung des
Abgaskatalysators direkt am benötigten Ort entsteht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform werden durch den Einspritzprozess
zumindest zwei Kraftstoffgemischzonen in dem Zylinder mit unterschiedlichen
Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnissen erzeugt. Nach Zündung
des Kraftstoffgemischs brennt der Kraftstoff in den einzelnen Kraftstoffgemischzonen
unterschiedlich ab. Dies wird insbesondere dadurch unterstützt,
dass zumindest eine Kraftstoffgemischzone mager bzw. bezüglich
des Kraftstoffs unterstöchimetrisch eingestellt ist, während
eine zweite Kraftstoffgemischzone leicht fett bzw. bezüglich
des Kraftstoffs leicht überstöchimetrisch eingestellt
ist.
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Vorzugsweise
wird die Erzeugung von für den Schichtbetrieb charakteristischen
Kraftstoffgemischzonen mit einem unterschiedlichen Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis
durch das Einstellen zumindest eines Einspritzparameters wie z.
Bsp. ein Einspritzpunkt, eine Einspritzdauer, ein Einspritzort oder
eine Einspritzmenge sowie beliebeige Kombinationen daraus erreicht.
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Vorteilhaft
hieran ist, dass obwohl das Gesamt-Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis
des in dem Zylinder unmittelbar vor der Zündung befindlichen
Kraftstoffgemischs größer 1 sein kann, trotzdem
fette Kraftstoffgemischzonen in dem Zylinder angeordnet sind. Dadurch
ist es möglich, ein Abgas zu erzeugen, in dem Energieträger,
wie z. Bsp. Kohlenmonoxid oder Wasserstoff, vorhanden sind. Diese
Energieträger können durch Reaktion mit Sauerstoff
auf dem Abgaskatalysators soviel Energie erzeugen, dass der Abgaskatalysator
entweder auf eine Betriebstemperatur gebracht werden kann oder auf
bzw. oberhalb der Betriebstemperatur gehalten werden kann. Ein weiterer
Vorteil ist die niedrige Zündtemperatur der Energieträger,
wie z. B. Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die im Vergleich zu den
Kohlenwasserstoffen bei einer viel niedrigeren Temperatur mit dem
im Abgas enthaltenen Sauerstoff reagieren können und somit
auf dem Abgaskatalysator bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen
exotherm reagieren können.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass durch ein solches Verfahren die Menge an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen, die bei niedrigen Abgastemperaturen inhibierend
wirken können, vermindert ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird unmittelbar vor
dem Zündzeitpunkt und in unmittelbarer Nähe der
Zündkerzen eine dritte Einspritzung vorgenommen, die im
Bereich der Zündkerze und des Zündfunkens ein
zündfähiges, fettes Kraftstoffgemisch erzeugt.
Dadurch kann das gesamte im Zylinder befindliche Kraftstoffgemisch
mit seinen unterschiedlichen Kraftstoffgemischzonen zuverlässig durch
die Zündeinrichtung gezündet werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch:
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1 einen
Querschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit mehreren
Kraftstoffgemischzonen,
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2 ein
Ventilhub-, Zylinderdruck-Kurbelwinkeldiagramm mit mehreren Einspritzungen.
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Wie
in 1 dargestellt, ist ein Zylinder 1 mit einem
Kolben 2, einem Injektor 3 und einer Zündeinrichtung 4 ausgestattet.
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Unterteilt
man einen Einspritzprozess in zumindest zwei durch den Injektor 3 ausgeführte
Einspritzungen so lassen sich durch zeitliche Versetzung der Einspritzungen
zumindest zwei Kraftstoffgemischzonen 5, 6, wie
z. Bsp. eine homogene Kraftstoffgemischzone 5 und eine
Kraftstoffgemischwolke 6, in einem Verbrennungsraum 7 des
Zylinders 1 erzeugen. Dabei können die einzelnen
Einspritzungen auch als Mehrfacheinspritzungen, z. Bsp. als Doppel- und/oder
Dreifacheinspritzungen ausgebildet sein.
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Die
mögliche Anzahl der Einspritzungen hängt dabei
von der Bauart des Injektors ab. Bei einem Magnet-Injektor wird
man evtl. nur zwei Einspritzungen vornehmen können. Bei
Verwendung von Piezo-Injektoren, die in kurzen Abständen
kleine Mengen absetzen können, kann die Kraftstoffmenge
auch in mehrere, vorzugsweise drei, Einspritzungen aufgeteilt werden.
Diese mehreren Einspritzungen können wiederum als Mehrfacheinspritzungen,
insbesondere als Dreifacheinspritzung, ausgebildet sein.
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Gemäß 2 weist
eine Ventilhub-Kurbelwinkel-Kurve 7 ein erstes Maximum 8 und
ein zweites Maximum 9 auf. Eine Zylinderdruck-Kurbelwinkel-Kurve 10 weist
im Bereich eines Kurbelwinkels α = 0 ein Maximum 11 auf.
Zwischen einer Y-Achse 12 des Ventilhubs h und dem ersten
Maximum 8 ist der Bereich 13 eines Saughubs bzw.
eines Ansaugprozesses einer 4-Takt-Brennkraftmaschine angeordnet. Zwischen
dem ersten Maximum 8 und dem Maximum 11 der Zylinderdruck-Kurbelwinkel-Kurve 10 liegt
der Bereich 14 eines Kompressionshubs bzw. eines Kompressionsprozesses
der 4-Takt-Brennkraftmaschine. Der Bereich 15 zwischen
dem Maximum 11 und dem zweiten Maximum 9 kennzeichnet
eine Expansion des brennenden bzw. verbrannten Kraftstoffgemisches.
In einem zwischen dem zweiten Maximum 9 und einer Y-Achse 16 des
Zylinderdrucks p angeordneten Bereich 17 wird das Abgas
aus dem Zylinder 1 durch den Kolben 2 ausgestoßen.
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Vorteilhafterweise
wird eine erste Einspritzung 18 im Bereich 13 des
Saughubs bzw. Ansaugprozesses ausgeführt. Durch diese erste
Einspritzung 18 während des Saughubs bzw. Ansaugprozesses
wird die sich über den gesamten Zylinderinnenraum erstreckende,
homogene Kraftstoffgemischzone 5 erzeugt. Da bei der ersten
Einspritzung 18 in den Saughub bzw. Ansaugprozess eingespritzt
wird, ist durch das Ansaugen der Luft und dadurch auftretende Verwirbelungen
eine weitgehend homogene Kraftstoffverteilung gewährleistet.
Dabei kann soviel Kraftstoff eingespritzt werden, dass sich ein
mageres Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ1 > 1
im gesamten Zylinder einstellt. Durch die Verringerung einer in
den Saughub eingespritzten Kraftstoffmenge gegenüber einem
konventionellen Homogenbetrieb, bei dem die gesamte Kraftstoffmenge
in den Saughub eingespritzt wird, ergeben sich deutlich weniger
Wandanlagerungen von Kraftstoff an einer Zylinderinnenwand 19 und
in einem Ringspalt 20, wie in 1 gezeigt. Dies
führt dadurch, dass die homogene Kraftstoffgemischzone
als eine Art Puffer wirkt, zu geringeren Emissionen von unverbrannten
Kohlenwasserstoffen, sowie von Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Dadurch
ist bei einem Abbrennen der homogenen Kraftstoffgemischzone 5 ein
nahezu vollständiges Verbrennen des Kraftstoffs in der
homogenen Kraftstoffgemischzone 5 möglich. Zum
anderen wird durch das Abbrennen dieser Zone der Sauerstoffrestgehalt
im Abgas vergrößert.
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Bevorzugt
wird eine zweite Einspritzung 21 zumindest teilweise im
Bereich 14 des Kompressionshubes bzw. des Verdichtungsprozesses
durchgeführt. Dabei wird der eingespritzte Kraftstoff bei
einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 während
des Kompressionshubs bzw. Verdichtungsprozesses in Richtung der
Zündvorrichtung 4 transportiert. Vorzugsweise
wird durch die zweite Einspritzung eine stöchiometrische
bis leicht fette, in die homogene Kraftstoffgemischzone 5 eingebettete
Kraftstoffgemischwolke 6 erzeugt. Dabei weist die Kraftstoffgemischwolke 6 ein
Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis λ2 < 1 auf. Durch die
Einspritzung zumindest teilweise in den Kompressionshub bzw. in
den Verdichtungsprozess wird diese leicht fette Kraftstoffgemischwolke 6 nahe
der Zündvorrichtung 4 aufgebaut. Diese leicht fette
Kraftstoffgemischwolke 6 gewährleistet eine schnelle
und sichere Verbrennung, bei der durch leichten Sauerstoffmangel
die Verbrennung des Kraftstoffes unvollständig abläuft.
Dadurch entstehen Verbrennungsprodukte wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Beides sind Träger einer hohen Menge an chemischer Energie,
die durch Oxidation freigesetzt und in Wärme umgewandelt
werden kann.
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Da
ein Gesamt-Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnis der Kraftstoffgemischzonen 5, 6 in
dem Zylinder 1 unmittelbar vor der Zündung durch
die Zündeinrichtung 4 bzgl. des Kraftstoffes unterstöchiometrisch ausgebildet
ist und auch aufgrund der Verbrennung der mageren, homogenen Kraftstoffgemischzone 5 ist
im Abgas genügend Sauerstoff vorhanden, so dass die durch
das Verbrennen der leicht fetten Kraftstoffgemischwolke 6 auftretenden,
durch eine partielle Oxidation entstandenen Energieträger,
wie z. Bsp. Kohlenmonoxid und Wasserstoff, auf einem in einem Abgasstrom
angeordneten Abgaskatalysator 24 exotherm mit dem Sauerstoff
reagieren können.
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Eine
dritte Einspritzung 22 kann unmittelbar vor einer Zündung 23 des
Kraftstoffgemisches durch die Zündeinrichtung 4 erfolgen.
Vorzugsweise wird dies bei einem direkteinspritzenden Ottomotor
mit einem strahlgeführtem Brennverfahren durchgeführt. Dabei
sollte die Lage eines Zeitpunkts der dritten Einspritzung 22 direkt
an die jeweilige Zündung 23 gekoppelt werden.
Durch diese dritte Einspritzung 22 wird eine kompakte,
definiert ausgebildete Kraftstoffgemischzone direkt an der Zündkerze
platziert.
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Dadurch
soll unter nahezu allen Bedingungen eine sichere Entflammung des
Kraftstoffgemisches gewährleistet werden.
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Durch
mehrere Einspritzungen in oben beschriebener Art und Weise wird
eine definierte Schichtung von Kraftstoffgemischzonen 5, 6 mit
einer unterschiedlichen Menge an Kraftstoff bzw. mit unterschiedlichen
Kraftstoff-Sauerstoff-Verhältnissen erzeugt, wobei die
Kraftstoffgemischzonen 5, 6 im Bereich der Zündeinrichtung 4 fett
und nach außen zu der Zylinderinnenwand 19 hin
mager ausgebildet sind. Je inhomogener dabei eine Gesamtkraftstoffverteilung
ist, dass heißt je mehr Kraftstoff erst im Kompressionshub
bzw. im Verdichtungsprozess injiziert wird, desto höher
sind die Anteile an Restsauerstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff
im Abgas.
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Es
kann somit durch Einstellen zumindest eines Einspritzparameters
eines Einspritzprozesses, bei dem der Kraftstoff mittels des Injektors 3 in
einen Zylinder 1 der Brennkraftmasche eingespritzt wird, nach
der Zündung des Kraftstoffes durch die Zündeinrichtung 4 und
nach der Verbrennung des Kraftstoffes in dem Zylinder 1 ein
Abgasgemisch gebildet werden, das eine so hohe große Menge
an Energieträgern, wie z. Bsp. Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff,
aufweist, dass der Abgaskatalysator 24 durch exotherme
Reaktion der Energieträger mit Sauerstoff auf dem Abgaskatalysator 24 auf
die Betriebstemperatur aufgeheizt und/oder auf oder oberhalb der
Betriebstemperatur gehalten werden kann.
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Die
Steuerung der dem Abgaskatalysator 24 zur Verfügung
stehenden chemischen Energie kann durch zumindest einen Einspritzparameter,
wie z. Bsp. ein Einspritzzeitpunkt, eine Anzahl von Einspritzungen 18, 21, 22,
einer Einspritzdauer, ein Einspritzort oder eine Einspritzmenge
vorgenommen werden. Dabei kann der jeweilige Einspritzparameter
betriebspunktabhängig und/oder in Abhängigkeit
eines Kurbelwinkels und/oder in Abhängigkeit der Katalysatortemperatur
des Abgaskatalysators 24 und/oder einer Temperatur des
Abgasgemisches gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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