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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Stelleinrichtung zum Verstellen des Istverdichtungsverhältnisses in wenigstens einem Zylinder der Brennkraftmaschine, wobei an der Stelleinrichtung ein Sollverdichtungsverhältnis eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine.
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Die Brennkraftmaschine dient beispielsweise dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs, also dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Drehmoments. Die Brennkraftmaschine weist die Stellvorrichtung auf, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis in dem wenigstens einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann. An der Stelleinrichtung wird hierzu das Sollverdichtungsverhältnis eingestellt, woraufhin diese ein Istverdichtungsverhältnis in Richtung des Sollverdichtungsverhältnisses verändert oder - falls das Istverdichtungsverhältnis bereits dem Sollverdichtungsverhältnis entspricht - auf dem Sollverdichtungsverhältnis hält.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2013 001 043 B3 bekannt. Diese betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein Verdichtungsverhältnis mittels einer Stelleinrichtung auf ein Sollverdichtungsverhältnis eingestellt wird, wobei in einer Normalbetriebsart der Brennkraftmaschine das Sollverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine zumindest zeitweise in einer Prädiktionsbetriebsart betrieben wird, in welcher das Sollverdichtungsverhältnis anhand einer erwarteten Schätzbetriebsgröße ermittelt wird, die auf Grundlage des momentanen Gradienten der Betriebsgröße über der Zeit abgeschätzt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
US 2004/0089253 A1 bekannt, welche eine Vorrichtung und ein Verfahren beschreibt, um einen Betriebsmodus einer Brennkraftmaschine oder einer Brennkraftmaschinenkomponente festzustellen, indem ein erster Maschinenparameter moduliert und eine Veränderung eines zweiten Maschinenparameters analysiert wird. Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 198 45 965 A1 ein Verfahren zum Bestimmen des Istwerts des Verdichtungsverhältnisses bei einer Brennkraftmaschine bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere auf einfache Art und Weise eine Erkennung eines von dem Sollverdichtungsverhältnis abweichenden Istverdichtungsverhältnisses ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass zum Überprüfen auf eine Abweichung des Istverdichtungsverhältnisses von dem Sollverdichtungsverhältnis der Zündzeitpunkt in dem Zylinder nach spät verändert und die Reaktion einer in dem Zylinder ablaufenden Verbrennung auf den veränderten Zündzeitpunkt in Form eines Verbrennungsparameters, nämlich eines die Stabilität der Verbrennung beschreibenden Stabilitätsparameters, erfasst wird, wobei aus dem Verbrennungsparameterdas lstverdichtungsverhältnis unmittelbar bestimmt wird Das Überprüfen auf die Abweichung zwischen Istverdichtungsverhältnis und Sollverdichtungsverhältnis soll also durchgeführt werden, indem wenigstens zwei unterschiedliche Zündzeitpunkte eingestellt werden.
Zum Verändern des Zündzeitpunkts wird beispielsweise ein entsprechendes Steuergerät der Brennkraftmaschine herangezogen. Der Zündzeitpunkt kann relativ zu einem Kurbelwellendrehwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angegeben sein und/oder relativ zu einem Zeitpunkt, in welchem ein in dem Zylinder angeordneter Kolben in seinem oberen Totpunkt vorliegt.
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Auch in ersterem Fall kann der Zündzeitpunkt, welcher dann in Form eines Zündwinkels vorliegt, relativ zu dem oberen Totpunkt angegeben sein, insbesondere also relativ zu einem Kurbelwellendrehwinkel, in welchem der Kolben in seinem oberen Totpunkt vorliegt. Von Bedeutung ist lediglich, dass vor dem Verändern des Zündzeitpunkts dieser einem ersten Zündzeitpunkt und nach dem Verändern einem zweiten Zündzeitpunkt entspricht. Der erste Zündzeitpunkt und der zweite Zündzeitpunkt sind dabei voneinander verschieden. Insbesondere liegt der zweite Zündzeitpunkt später als der erste Zündzeitpunkt, sodass also das Verändern des Zündzeitpunkts nach spät erfolgt.
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Während oder nach dem Verändern des Zündzeitpunkts wird die Reaktion der in dem Zylinder ablaufenden Verbrennung erfasst. Dabei wird der Verbrennungsparameter festgehalten, welcher beispielsweise gemessen wird. Aus dem Verbrennungsparameter wird anschließend auf das Istverdichtungsverhältnis geschlossen. Bevorzugt wird der Zündzeitpunkt derart verändert, dass davon ausgegangen werden kann, dass sich der Verbrennungsparameter verändert. Es kann also beispielsweise vorgesehen sein, dass vor dem Verändern, insbesondere unmittelbar vor dem Verändern, ein erster Wert des Verbrennungsparameters und nach dem Verändern, insbesondere unmittelbar nach dem Verändern, ein zweiter Wert des Verbrennungsparameters erfasst wird. Aus der Differenz oder dem Verhältnis der beiden Werte des Verbrennungsparameters kann anschließend auf das Istverdichtungsverhältnis geschlossen oder dieses unmittelbar bestimmt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Verbrennungsparameter ein Stabilitätsparameter verwendet wird. Der Verbrennungsparameter beschreibt insoweit die Stabilität der Verbrennung, die in dem Zylinder abläuft, und/oder die Stabilität des Betriebes der Brennkraftmaschine. Zum Ermitteln des Stabilitätsparameters sind geeignete Mittel vorgesehen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Stabilitätsparameter eine Laufruhe der Brennkraftmaschine oder ein in dem Zylinder vorliegender Mitteldruck verwendet wird. Die Laufruhe ist beispielsweise ein Maß für einen gleichmäßigen Lauf der Brennkraftmaschine und/oder für von der Brennkraftmaschine erzeugte Vibrationen. Der Mitteldruck ist eine Rechengröße, die den Betrieb der Brennkraftmaschine charakterisiert. Insbesondere wird sie von dem Wirkungsgrad und/oder dem Ladungswechsel in dem Zylinder charakterisiert. Der Mitteldruck ist beispielsweise der effektive Mitteldruck, der indizierte Mitteldruck oder der Reibmitteldruck.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Laufruhe mittels eines Kurbelwellendrehzahlsensors und/oder eines Kurbelwellenbeschleunigungssensors ermittelt wird. Mit Hilfe des Kurbelwellendrehzahlsensors wird die Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und mit Hilfe des Kurbelwellenbeschleunigungssensors eine Beschleunigung der Kurbelwelle erfasst. Der Kurbelwellenbeschleunigungssensor kann ebenfalls als Kurbelwellendrehzahlsensor ausgestaltet sein, wobei die Beschleunigung der Kurbelwelle aus der zeitlichen Ableitung der (gemessenen) Drehzahl bestimmt wird. Die Laufruhe ergibt sich nun beispielsweise aus Abweichungen der gemessenen Drehzahl beziehungsweise der gemessenen Beschleunigung von einem Sollwert. Die Laufruhe kann zusätzlich oder alternativ anhand eines Klopfsensors der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Mitteldruck mittels eines dem Zylinder zugeordneten Drucksensors gemessen wird. Der Drucksensor dient beispielsweise der Ermittlung des Drucks in dem Zylinder. Aus diesem kann anschließend der Mitteldruck bestimmt werden. Selbstverständlich kann alternativ oder zusätzlich auch eine Berechnung des Mitteldrucks vorgesehen sein, insbesondere aus dem von der Brennkraftmaschine erzeugten beziehungsweise bereitgestellten Drehmoment und/oder der von ihr abgegebenen Arbeit.
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Besonders bevorzugt ist es im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Verändern des Zündzeitpunkts und das Erfassen der Reaktion der Verbrennung bei konstantem Sollverdichtungsverhältnis erfolgt. Auf diese Weise kann durch das Erfassen des Verbrennungsparameters eine aussagekräftige Ermittlung des Istverdichtungsverhältnisses erfolgen. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei einem Konstanthalten des Sollverdichtungsverhältnisses auch das Istverdichtungsverhältnis im Wesentlichen konstant ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zündzeitpunkt auf einen ersten Zündzeitpunktwert eingestellt und bei diesem ein erster Wert des Verbrennungsparameters ermittelt und anschließend der Zündzeitpunkt auf einen von dem ersten Zündzeitpunktwert verschiedenen zweiten Zündzeitpunktwert eingestellt und bei diesem ein zweiter Wert des Verbrennungsparameters ermittelt wird. Hierauf wurde vorstehend bereits hingewiesen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Zündzeitpunkt verändert wird, bis der Verbrennungsparameter einen bestimmten Wert aufweist, wobei aus dem dann vorliegenden Zündzeitpunkt das Istverdichtungsverhältnis bestimmt wird. Der bestimmte Wert kann beispielsweise ein absoluter Sollwert sein oder auch ein Relativwert bezüglich des vor dem Verändern vorliegenden Werts des Verbrennungsparameters. In ersterem Fall wird der Zündzeitpunkt solange verändert, bis der Verbrennungsparameter beziehungsweise dessen Wert den bestimmten Absolutwert erreicht. Anderenfalls kann es beispielsweise vorgesehen sein, den Zündzeitpunkt solange zu verändern, bis auch eine Veränderung des Verbrennungsparameters auftritt beziehungsweise die Veränderung den Relativwert überschreitet. Anhand des dann vorliegenden Zündzeitpunkts wird auf das Istverdichtungsverhältnis geschlossen beziehungsweise dieses direkt bestimmt.
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Beispielsweise ist es hierbei vorgesehen, dass das Verändern des Zündzeitpunkts kontinuierlich oder in diskreten Schritten erfolgt. Selbstverständlich kann es dabei auch vorgesehen sein, das Verändern des Zündzeitpunkts zunächst in größeren Schritten vorzunehmen, bis die Veränderung des Überscheidungsparameters auftritt. Anschließend wird das Verändern in kleineren Schritten vorgenommen, bis der Verbrennungsparameter den bestimmten Wert erreicht. Hierbei kann der bestimmte Wert wiederum als Absolutwert oder Relativwert vorliegen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wobei die Brennkraftmaschine eine Stelleinrichtung zum Verstellen des Istverdichtungsverhältnisses in wenigstens einem Zylinder der Brennkraftmaschine aufweist, wobei an der Stelleinrichtung ein Sollverdichtungsverhältnis einstellbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine dazu ausgebildet ist, zum Überprüfen auf eine Abweichung des Istverdichtungsverhältnisses von dem Sollverdichtungsverhältnis den Zündzeitpunkt in dem Zylinder nach spät zu verändern und die Reaktion einer in dem Zylinder ablaufenden Verbrennung auf den veränderten Zündzeitpunkt in Form eines Verbrennungsparameters, nämlich eines die Stabilität der Verbrennung beschreibenden Stabilitätsparameters, zu erfassen, wobei aus dem Verbrennungsparameterdas lstverdichtungsverhältnis unmittelbar bestimmt wird.
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Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Brennkraftmaschine als auch das Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
- Figur eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Brennkraftmaschine.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Brennkraftmaschine 1, welche beispielsweise als Reihenbrennkraftmaschine, insbesondere als Viertakt-Vierzylinder- Reihenbrennkraftmaschine vorliegt. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt eine Kurbelwelle 2 und wenigstens einen Kolben 3 (hier: vier Kolben 3). Der Kolben 3 beziehungsweise die Kolben 3 sind jeweils in einem von hier nicht dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine 1 linear beweglich gelagert. Jeder der Kolben 3 ist über eine Kolbenpleuelstange 4 mit der Kurbelwelle 2 wirkverbunden.
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Die Kurbelwelle 2 ist beispielsweise in hier nicht dargestellten Wellenlagern eines ebenfalls nicht dargestellten Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine 1 drehbar gelagert und weist mehrere der Lagerung dienende zylindrische Wellenzapfen sowie wenigstens einen Hubzapfen (hier nicht erkennbar) auf, dessen Längsmittelachse parallel zu einer Drehachse 5 der Kurbelwelle 2 versetzt ist. Üblicherweise liegen ebenso viele Hubzapfen wie Kolben 3 beziehungsweise Kolbenpleuelstangen 4 vor, sodass in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vier Hubzapfen vorgesehen sind, deren Längsmittelachsen in unterschiedlichen Winkelausrichtungen parallel zu der Drehachse 5 der Kurbelwelle 2 versetzt sind.
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Die Brennkraftmaschine 1 umfasst weiter eine Exzenterwelle 6, die eine zur Drehachse 5 der Kurbelwelle 2 parallele Drehachse 7 aufweist. Die Exzenterwelle 6 ist beispielsweise neben der Kurbelwelle 2 sowie etwas unterhalb von dieser in dem Zylinderkurbelgehäuse drehbar gelagert. Sie ist über einen Mehrgelenkskurbeltrieb 8 mit der Kurbelwelle 2 gekoppelt. Neben der Kurbelwelle 2 und der Exzenterwelle 6 umfasst der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 wenigstens ein Koppelglied 9, welches auf dem Hubzapfen der Kurbelwelle 2 drehbar gelagert ist. Üblicherweise sind ebenso viele Koppelglieder 9 wie Kolben 3 beziehungsweise Kolbenpleuelstangen 4 vorhanden, sodass in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vier Koppelglieder 9 vorliegen, die jeweils auf einem der Hubzapfen der der Kurbelwelle 2 drehbar gelagert sind.
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Jedes der Koppelglieder 9 weist einen Hubarm 10 auf, der über ein Schwenkgelenk 11 schwenkbar mit einem unteren Ende von einem der Kolbenpleuelstangen 4 verbunden ist. Ein oberes Ende der jeweiligen Kolbenpleuelstange 4 ist über ein weiteres Schwenkgelenk 12 am zugehörigen Kolben 3 angelenkt. Insgesamt ist also jeder der Kolben 3 über die jeweilige Kolbenpleuelstange 4 und das jeweilige Koppelglied 9 mit der Kurbelwelle 2 wirkverbunden.
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Der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 umfasst weiter eine der Anzahl der Kolbenpleuelstangen 4 und der Koppelglieder 9 entsprechende Anzahl von Anlenkpleuelstangen 13. Diese sind vorzugsweise ungefähr parallel zu den Kolbenpleuelstangen 4 ausgerichtet und in axialer Richtung der Kurbelwelle 2 und der Exzenterwelle 6 jeweils in etwa derselben Ebene wie die dazugehörige Kolbenpleuelstange 4, jedoch auf der entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 2, angeordnet. Jede Anlenkpleuelstange 13 umfasst eine Pleuelstange 14 und zwei an entgegengesetzten Enden der Pleuelstange 14 angeordnete Pleuelaugen 15 und 16, insbesondere mit unterschiedlichen inneren Durchmessern.
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Das Pleuelauge 16 jeder Anlenkpleuelstange 13 am unteren Ende der Pleuelstange 14 umgibt einen in Bezug zur Drehachse der Exzenterwelle 6 exzentrischen Hubzapfen 17 der Exzenterwelle 6, auf dem die Anlenkpleuelstange 13 mittels eines Drehlagers 18 drehbar gelagert ist. Das Pleuelauge 15 am oberen Ende der Pleuelstange 14 jeder Anlenkpleuelstange 13 bildet einen Teil eines Schwenkgelenks 9 zwischen der Anlenkpleuelstange 13 und einem Koppelarm 20 des benachbarten Koppelglieds 9, der auf der zum Hubarm 10 entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 2 über diese übersteht. Die Exzenterwelle 6 weist zwischen benachbarten exzentrischen Hubzapfen 17 sowie an ihren Stirnenden zur Lagerung der Exzenterwelle 6 in Wellenlagern dienende, zur Drehachse 7 koaxiale Wellenabschnitte 21 auf.
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Abgesehen von einer variablen Verdichtung kann mittels der zuvor beschriebenen Anordnung auch die Neigung der Kolbenpleuel 4 in Bezug zur Zylinderachse der zugehörigen Zylinder während der Drehung der Kurbelwelle 2 verringert werden, was zu einer Verringerung der Kolbenseitenkräfte und damit der Reibungskräfte zwischen dem Kolben 3 und Zylinderwänden der Zylinder führt. Insgesamt kann mit dem hier beschriebenen Mehrgelenkskurbeltrieb 8 ein Arbeitshub der Kolben 3 in Abhängigkeit von einem momentanen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine 1 gewählt werden. Insoweit stellt der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 eine Stelleinrichtung zum Verstellen des Istverdichtungsverhältnisses in den Zylindern dar.
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Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise der Mehrgelenkskurbeltrieb 8 eine Stellvorrichtung 22 auf, mittels welcher die Istdrehwinkelstellung der Exzenterwelle 6 innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereichs einstellbar ist. Die Stellvorrichtung 22 verfügt über ein Getriebe 23 mit einem auf der Exzenterwelle 6 drehfest angeordneten Abtriebsrad 24. Ein mit dem Abtriebsrad 24 wirkverbundenes Antriebselement 25 ist mittels einer Antriebseinrichtung 26 antreibbar. Die Antriebseinrichtung 26 ist beispielsweise ein kleinbauender Elektromotor, welcher insbesondere bei hoher Drehzahl, jedoch mit niedrigem Drehmoment betrieben wird.
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Das Getriebe 23 liegt in der hier dargestellten Ausführungsform als Schneckengetriebe vor. Das bedeutet, dass das Antriebselement 25 als Schnecke und das Abtriebsrad 24 als Schneckenrad ausgebildet ist. Das Schneckengetriebe ist vorzugsweise nicht selbsthemmend ausgebildet. Das bedeutet, dass sowohl eine Drehbewegung der Antriebseinrichtung 26 auf das Abtriebsrad 24 übertragen wird, als auch in die umgekehrte Richtung. Alternativ kann selbstverständlich eine selbsthemmende Ausführungsform des Schneckengetriebes realisiert sein. Das Antriebselement 25 ist auf einer Antriebswelle 27 angeordnet beziehungsweise drehfest mit dieser verbunden. Die Antriebswelle 27 ist über ein Übersetzungsgetriebe 28, welches als Planetengetriebe ausgebildet ist, von der Antriebseinrichtung 26 antreibbar.
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Beispielsweise ist es vorgesehen, anhand eines Lagesensors beziehungsweise Winkelsensors eine Drehwinkelstellung der Exzenterwelle 6 zu ermitteln und anhand dieser auf das Istverdichtungsverhältnis zu schließen. Mit Hilfe der Stellvorrichtung 22 wird insoweit beim Einstellen eines bestimmten Sollverdichtungsverhältnisses die Drehwinkelstellung der Exzenterwelle 6 solange verändert, bis die anhand des Sensors ermittelte Drehwinkelstellung der Exzenterwelle 6 einem Istverdichtungsverhältnis entspricht, welches gleich dem Sollverdichtungsverhältnis ist. Aufgrund der langen Wirkkette zwischen der Stellvorrichtung 22 beziehungsweise der Exzenterwelle 6 und den Kolben 3 kann es jedoch zu einer Abweichung des tatsächlich in dem Zylinder vorliegenden Istverdichtungsverhältnisses von dem anhand der Drehwinkelstellung der Exzenterwelle 6 ermittelten Istverdichtungsverhältnis und mithin von dem Sollverdichtungsverhältnis kommen.
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Aus diesem Grund soll auf eine Abweichung des Istverdichtungsverhältnisses von dem Sollverdichtungsverhältnis überprüft werden. Hierzu ist es vorgesehen, den Zündzeitpunkt in dem Zylinder zu verändern und die Reaktion einer in dem Zylinder ablaufenden Verbrennung auf den veränderten Zündzeitpunkt in Form eines Verbrennungsparameters zu erfassen. Aus dem Verbrennungsparameter kann anschließend auf das Istverdichtungsverhältnis geschlossen werden.
