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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Öltemperatur
bei einer Brennkraftmaschine.
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Zur
Steuerung einer Brennkraftmaschine wird die aktuelle Öltemperatur
benötigt.
So kann beispielsweise das Überschreiten
eines Schwellenwertes der Öltemperatur
zum Auslösen
einer On-Board-Diagnose
verwendet werden. Weiter ist es bekannt, die Öltemperatur als Kriterium zur
Einstellung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine zu verwenden,
da bei sehr hohen Öltemperaturen eine
höhere
Leerlaufdrehzahl nötig
ist, um die Brennkraftmaschine ausreichend mit dem dann dünnflüssigen Öl zu versorgen.
Darüber
hinaus kann man die Öltemperatur
für Berechnungen
der Öllebensdauer verwenden,
um den Zeitpunkt eines Ölwechsels
optimal bestimmen zu können.
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Für all diese
Zwecke ist es bekannt, die Temperatur des Öls mittels eines Temperatursensors,
der thermisch an den Ölkreislauf
angekoppelt ist, zu messen und das Signal dieses Temperatursensors entsprechend
zu verarbeiten. Jedoch sind solche Temperatursensoren aufgrund der
anspruchsvollen Betriebsbedingungen und des großen abzudeckenden Temperatubereiches
zu teuer.
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Aus
der
DE 40 16 099 C2 ist
es bekannt, die Öltemperatur
zur Leerlaufeinstellung einer Brennkraftmaschine zu verwenden. Um
auf den teueren Temperatursensors zu verzichten, wird die Zeitspanne
ermittelt, in der die Kühlmitteltemperatur über einem
Temperaturschwellenwert ist. Aus der Zeitdauer der Schwellenwertüberschreitung
wird ein geeignetes Maß für die Öltemperatur
bestimmt und die Leerlaufdrehzahl entsprechend eingestellt.
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Ein
weiteres Verfahren zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl ist aus
der
DE 44 33 299 A1 bekannt.
Dabei wird eine, eine Leerlaufdrehzahlerhöhung erfordernde Heißlaufphase
einer Brennkraftmaschine dann erkannt, wenn eine in Abhängigkeit
von Kühlmitteltemperatur,
Ansauglufttemperatur, Drehzahl sowie Last der Brennkraftmaschine
ermittelte Öltemperaturersatzgröße einen
Schwellenwert überschreitet.
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In
der
US 4 847 768 A ist
ein Verfahren zum Bestimmen der Öltemperatur
in einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem zwischen einer
Warmlaufphase und einer stationären
Phase unterschieden wird. Als Grenzwert zur Unterscheidung zwischen
Warmlaufphase und stationärer
Phase dient die zurückgelegte
Wegstrecke des Fahrzeugs. Wenn festgestellt wurde, dass sich die
Brennkraftmaschine im Warmlaufzustand befindet, so wird ein Unterprogramm
durchlaufen. In diesem Unterprogramm wird dann zunächst noch
einmal festgestellt, wie lange die Brennkraftmaschine abgeschaltet
war. Im Anschluss daran wird die Öltemperatur mit Hilfe einer
so genannten Warmlaufgleichung berechnet, in welche die Kühlmitteltemperatur
und die Anzahl der Zündungen zusammen
mit verschiedenen Konstanten eingehen. Befindet sich die Brennkraftmaschine
dagegen in der stationären
Phase, so wird die Öltemperatur
anhand einer so genannten Gleichgewichtsgleichung bestimmt, in die
eine Motortemperatur (Kühlmitteltemperatur)
sowie die Drehzahl zusammen mit weiteren Konstanten eingehen.
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Aus
der
US 5 633 796 A ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Öltemperatur einer
Brennkraftmaschine bekannt. Die Öltemperatur wird
dabei als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und einer lastkennzeichnenden
Größe, insbesondere des
Luftdurchsatzes bestimmt. Desweiteren wird aus Kenndaten des Öls ein Ölwechselintervall
abgeleitet, abhängig
von einer Funktion der Öltemperatur
und der Drehzahl der Brennkraftmaschine.
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All
diese Verfahren können
jedoch keinen exakten Wert für
die Öltemperatur
liefern; sie sind bloß daraufhin
ausgelegt, eine Schwellenwertüberschreitung
der Öltemperatur
erfassen zu können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das
unter Verzicht auf einen Öltemperatursensor
die Öltemperatur
einer Brennkraftmaschine mit hoher Genauigkeit zu bestimmen erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß im wesentlichen Last und
Drehzahl bestimmend für
den Wärmeeintrag
in das Öl
einer Brennkraftmaschine sind. Dies erlaubt bei weitgehend betriebswarmer
Brennkraftmaschine eine relativ genaue iterative, d.h. einen Startwert
fortschreibende bestimmende Öltemperatur.
In der Aufwärmphase
durchläuft
das Öl
einer Brennkraftmaschine dagegen relativ schnell einen großen Temperaturbereich.
Ein auf die Last und die Drehzahl gestütztes Vorgehen ist für diese
schnellen Temperaturänderungen
nicht tauglich. Statt dessen zeigt sich, daß hier die Kühlmitteltemperatur
sowie deren Gradienten besser geeignet sind, die Öltemperatur
zu modellieren. Die Erfindung sieht deshalb vor, den thermischen
Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine durch die Kühlmitteltemperatur
zu erfassen und in zwei Stufen einzuteilen. In einer ersten Stufe,
die die noch nicht betriebswarme Brennkraftmaschine betrifft, wird
die Öltempera tur ausgehend
von einer Kühlmitteltemperatur
und einem Kühlmitteltemperaturgradienten
modelliert. In einer zweiten Stufe, die die betriebswarme Brennkraftmaschine
betrifft, wird dagegen die Öltemperatur iterativ
aus einer lastkennzeichnenden Größe und der
Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmt.
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Da
die Last und die Drehzahl wie erwähnt den Wärmeeintrag in das Öl maßgeblich
bestimmen, ist es besonders vorteilhaft, aus der lastkennzeichnenden
Größe und der
Drehzahl die Änderung
der Öltemperatur,
z.B. mittels eines Kennfeldes zu ermitteln. Mittels dieser Änderung
kann man dann die Öltemperatur
für den
betriebswarmen Motor geeignet fortschreiben.
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Um
den Einfluß unterschiedlicher
Betriebsbedingungen zu berücksichtigen,
sieht eine weitere Ausbildung vor, aus der Last und der Drehzahl
eine maximale Änderung
der Öltemperatur
zu ermitteln, die sich unter extremsten Betriebsbedingungen einstellen
würde.
Damit erhält
man einen Rohwert für die Öltemperatur,
der anschließend
entsprechend korrigiert wird, indem die aktuell vorliegenden Abweichungen
von den extremsten Betriebsbedingungen berücksichtigt werden.
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Es
können
dabei zwei unterschiedliche extremste Betriebsbedingungen zugrunde
gelegt werden: Extremste Betriebsbedingungen, die zu einer sehr
kalten Brennkraftmaschine bzw. zu einem sehr kalten Öl führen, und
extremste Betriebsbedingungen, die zu sehr hohen Öltemperaturen
führen.
Wählt man
die letzte Art extremster Betriebsbedingungen, beispielsweise eine
im Stand bei hoher Umgebungstemperatur betriebene Brennkraftmaschine,
gestaltet sich die Korrektur der Abweichungen von diesen extremen
Betriebsbedingungen besonders einfach, indem man die tatsächliche
Ansauglufttemperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit, Kühlmitteltemperatur, Drehzahl
und/oder Zeit seit Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine als öltemperaturmindernde
Faktoren berücksichtigt
und so den Rohwert der Öltemperatur,
der unter der Annahme extremster Betriebsbedingungen erhalten wurde,
korrigiert.
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Im
iterativen Verfahren ist es aus Stabilitätsgründen vorteilhaft, eine Zeitkonstante
zu berücksichtigen,
mit der sich die Änderung
der Öltemperatur bei
der Bildung des Wertes der Öltemperatur
auswirkt.
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Normalerweise
liegt bei Start der Brennkraftmaschine kein Wert für die Öltemperatur
vor. In solchen Fällen
ist es von Vorteil, als Startwert von der aktuellen Kühlmitteltemperatur
auszugehen. Das Aufheizverhalten einer Brennkraftmaschine kann man
besonders genau dadurch nachbilden, daß der Gradient der Kühlmitteltemperatur
in der nicht betriebswarmen Brennkraftmaschine je nach Absolutwert
der Kühlmitteltemperatur
unterschiedlich stark zeitlich tiefpaßgefiltert wird.
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Liegt
kein gültiger
Wert für
die Kühlmitteltemperatur
vor, beispielsweise weil der entsprechende Sensor als defekt erkannt
ist, kann ersatzweise zur Modellierung der Öltemperatur immer in der Modellstufe
gerechnet werden, die für
die betriebswarme Brennkraftmaschine vorgesehen ist, auch wenn die Brennkraftmaschine
noch nicht betriebswarm ist.
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Bei
Brennkraftmaschinen, die externe Zuheizer haben, wird man vorteilhafterweise
die von diesen erzeugte Wärme
berücksichtigen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist für Brennkraftmaschinen
mit Wärmetauscher
zwischen Öl
und Kühlmittelkreislauf
genauso tauglich, wie für Brennkraftmaschinen,
die einen solchen Wärmetauscher
nicht aufweisen, da über
den Motorblock immer eine gewisse thermische Kopplung zwischen Öl und Kühlmittel
gegeben ist. Natürlich
werden die einzelnen Kennfelder für solche Brennkraftmaschinen
unterschiedlich aussehen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in
einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Schemadarstellung einer Brennkraftmaschine und
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2 bis 4 Blockdarstellungen
von Modellmodulen eines Modells zur Bestimmung der Öltemperatur.
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In 1 ist
vereinfacht eine Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät gezeigt,
wobei nur diejenigen Teile dargestellt sind, die für das Verständnis der
Erfindung erforderlich sind.
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Der
Brennkraftmaschine 1 wird über eine Ansaugleitung 2 die
zur Verbrennung notwendige Luft zugeführt. Eine Einspritzanlage 3 spritzt
Kraftstoff in die Ansaugleitung 2 ein. Das noch zu beschreibende Modell
ist aber auch für
Brennkraftmaschinen tauglich, die den Kraftstoff direkt in die Zylinder
der Brennkraftmaschine einspritzen, beispielsweise Benzin-Direkteinspritzmotoren
oder Dieselmotoren. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 strömt über eine
Abgasleitung 4 zu einer entsprechenden Abgasnachbehandlungsanlage
(nicht dargestellt).
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Im
Ansaugkanal 2 ist ein Lastsensor in Form eines Luftmassenmessers 5 vorgesehen,
der ein dem Luftmassenstrom entsprechendes Signal MAF abgibt. Alternativ
kann als Lastsensor für
die Brennkraftmaschine 1 auch ein Drucksensor 6 verwendet werden,
der den in der Ansaugleitung 2 herrschenden Druck ps erfaßt. Dies
ist in 1 gestrichelt eingezeichnet.
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Bei
direkteinspritzenden, mager betriebenen Brennkraftmaschinen wählt man
natürlich
eine andere lastkennzeichnende Größe, beispielsweise die eingespritzte
Kraftstoffmasse.
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Zur
Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1 ist ein
Steuergerät 7 vorgesehen.
Dieses übernimmt
neben der Zündungsregelung
und der Steuerung der Kraftstoffdosierung eine Vielzahl weiterer
Steuer- und Regelaufnahmen, wobei hier nur auf die für das Modell
zur Bestimmung der Öltemperatur
relevanten Funktionen eingegangen wird. Das Steuergerät 7 empfängt die
Signale verschiedener Sensoren. Dabei handelt es sich u.a. um einen
Drehzahlsensor 8 für
die Drehzahl N, einen Sensor 9 für die Kühlmitteltemperatur TCO, einen
Sensor 10 für die
Ansauglufttemperatur TIA und einen Sensor 11 für die Fahrzeuggeschwindigkeit
VS eines mit der Brennkraftmaschine 1 ausgerüsteten Fahrzeuges. Über eine
nur schematisch dargestellte Daten- und Steuerleitung 12 ist
das Steuergerät 7 noch
mit weiteren Sensoren und Aktoren der Brennkraftmaschine 1 verbunden.
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Das
Steuergerät 7 hat
eine Speichereinrichtung 13, mit der es über einen
nicht näher
bezeichneten Datenbus verbunden ist, in der sich verschiedene Kennfelder
KF1 – KF8
befinden (KF7 und KF8 sind in 1 nicht
eingezeichnet), deren Bedeutung später noch erläutert werden
wird.
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Die 2 bis 4 zeigen
in Blockschaltbildform Module eines Modells zur Bestimmung der Öltemperatur
aus den verschiedenen Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine. Dabei beschreibt 2 das Modul,
das einen Öltemperaturrohrwert
TOIL_R und einen Öltemperaturgradientenrohwert
TOIL_RG bei betriebswarmer Brennkraftmaschine liefert. Für die nicht
betriebswarme Brennkraftmaschine werden der Öltemperaturrohwert TOIL_R und
der Öltemperaturgradientenrohwert
TOIL_RG mit einem Modul gemäß dem Blockschaltbild
der 3 gewonnen. Das Blockschaltbild der 4 zeigt
das Modul, in dem aus den Rohwerten TOIL_R und TOIL_RG die Öltemperatur
TOIL bestimmt wird. Das Modul des Blockschaltbildes der 3 kommt
also ausschließlich
bei nicht betriebswarmer Brennkraftmaschine zum Einsatz, das Modul
des Blockschaltbildes der 2 dagegen
bei be triebswarmer Brennkraftmaschine. Das Modul des Blockschaltbildes
der 4 kommt dagegen immer zum Einsatz.
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Beim
Start einer Brennkraftmaschine liegt in der Regel kein Wert für die Öltemperatur
TOIL vor, weshalb zu Beginn des Verfahrens zuerst die Kühlmitteltemperatur
ausgelesen wird. Überschreitet
sie einen Schwellenwert, der beispielsweise bei 80°C liegen
kann, wird von einer weitgehend betriebswarmen Brennkraftmaschine
ausgegangen und folgend das Modul der 2 ausgeführt. Bleibt
dagegen die Kühlmitteltemperatur
unter diesem Schwellenwert, kommt das Modul der 3 zum
Einsatz.
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Im
Modul der 3 wird zuerst die Kühlmitteltemperatur
einem Verzögerungsglied
V eingegeben, das die Ausgabe des eingegebenen Wertes um eine gewisse
Zeitspanne, beispielsweise 15 s verzögert. In einem anschließenden Differenzglied
wird von dem aktuellen Wert der Kühlmitteltemperatur TCO der
durch das Verzögerungsglied
V verzögerte, d.h.
zeitlich zurückliegende
Wert abgezogen. Man erhält
somit am Ausgang des Differenzgliedes die Änderung von TCO in der Zeitdauer,
die am Verzögerungsglied
V eingestellt ist. Diese Änderung
wird einem Tiefpaßfilter
TP eingegeben. Das Tiefpaßfilter TP
bewirkt eine Tiefpaßfilterung
der zugeführten Kühlmitteltemperaturänderung
und liefert am Ausgang einen Öltemperaturgradientenrohwert TOIL_RG.
Das Filterverhalten des Tiefpaßfilters
TP ist verstellbar und wird von einem Kennfeld KF2 eingestellt,
dem die Kühlmitteltemperatur
TCO eingegeben wurde. Dieses Kennfeld KF2 liefert einen kühlmitteltemperaturbereichsabhängigen Faktor
zum Ansteuern des Tiefpaßfilters
TP. Damit wird erreicht, daß der Öltemperaturgradientenrohwert
TOIL_RG am Ausgang des Tiefpaßfilters
TP mit steigender Kühlmitteltemperatur
gegen Null fällt.
Als Öltemperaturrohwert
TOIL_R wird vom Modul der 3 direkt die
Kühlmitteltemperatur
TCO ausgegeben.
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In
einer optionalen Abwandlung des Moduls der 3 ist es
möglich,
eine Bereichsbegrenzung des Öltemperaturgradienten rohwertes
TOIL_RG zwischenzuschalten, so daß ein maximaler und ein minimaler
Gradient vorgegeben ist.
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Bei
betriebswarmer Brennkraftmaschine wird das Modul der 2 zur
Bestimmung des Öltemperaturrohwerts
TOIL_R und des Öltemperaturgradientenrohwerts
TOIL_RG eingesetzt. Die Temperatur, ab der die Brennkraftmaschine 1 als
betriebswarm definiert wird, kann bereits beim Start der Brennkraftmaschine überschritten
sein, beispielsweise wenn eine weitgehend betriebswarme Brennkraftmaschine
neu gestartet wird. Diese Temperatur kann aber auch im Laufe des
Betriebs überschritten
werden. Dies bedeutet, daß bei Überschreiten
der eingestellten Temperaturschwelle vom Modul der 3 auf
das Modul der 2 gewechselt wird.
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Im
Modul der 2 werden ein lastkennzeichnendes
Signal MAF, dabei kann es sich um die angesaugte Luftmasse oder
die eingespritzte Kraftstoffmenge handeln, und die Drehzahl N der
Brennkraftmaschine in ein Kennfeld KF1 eingegeben, das die stationäre Endtemperatur
für die
eingegebenen Werte von MAF und N enthält. Dabei ist das Kennfeld KF1
so ausgelegt, daß die
von ihm ausgegebene stationäre
Endtemperatur die maximale Temperatur ist, die im Betrieb der Brennkraftmaschine
auftreten kann. Dies ist beispielsweise bei minimaler Fahrgeschwindigkeit
und maximaler Außentemperatur
der Fall. Von dieser stationären
Endtemperatur am Ausgang des Kennfeldes KF1 wird in einem nachgeschalteten
Differenzglied die zuletzt berechnete Öltemperatur TOIL_OLD abgezogen,
so daß am
Ausgang des Differenzgliedes die im aktuellen Iterationsschritt
vorliegende Temperaturänderung
anliegt. Dieser Wert wird als Öltemperaturgradientenrohwert TOIL_RG
am Knoten 2 bereitgestellt. Gleichzeit wird er mit dem Ausgang eines
Zeitkonstantengliedes Z multipliziert, dessen Wert zwischen 0 und
1 liegt. Der dergestalt verkleinerte Wert wird anschließend wieder
mit dem letzten Wert der Öltemperatur TOIL_OLD
addiert, um am Knoten 2 den Öltemperaturrohwert
TOIL_R zu erhalten.
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Die
Module der 2 und 3 liefern
somit beide an ihrem Knoten 1 einen Öltemperaturrohwert TOIL_R und
an ihrem Knoten 2 einen Öltemperaturgradientenrohwert
TOIL_RG. Diese Werte werden im Modul der 4 weiterverarbeitet.
Der Öltemperaturgradientenrohwert
TOIL_R wird dabei zuerst einem Kennfeld KF4 eingespeist, das einen
gradientenabhängigen
Offset zwischen Kühlmitteltemperatur TCO
und Öltemperatur
TOIL ausgibt. Dieser Offset wird einem Addierknoten zugeführt, in
dem er zum Öltemperaturgradientenrohwert
TOIL_RG und dem Öltemperaturwert
TOIL_R addiert wird. Der Ausgang des Kennfeldes KF4 wird allerdings
nur dann addiert, wenn die Kühlmitteltemperatur
TCO über
einem gewissen Schwellwert liegt, der in der Regel in der Nähe der Kühlmittelpumpenschaltschwelle
liegen wird. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, daß bei einer
Brennkraftmaschine in der Regel die Kühlmittelpumpe nur oberhalb
einer gewissen Mindesttemperatur betrieben wird. Weiter kann man
optional vorsehen, den am Ausgang des Kennfeldes KF4 gelieferten
Offset nur dann mitzuaddieren, wenn die Außentemperatur und/oder die
Ansauglufttemperatur über
einer gewissen Schwelle liegt. Dies trägt dann der Kühlung der
Brennkraftmaschine durch die Umgebung Rechnung.
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Der
am Ausgang des Addierknotens vorliegende Wert für die Öltemperatur muß nun hinsichtlich der
real vorliegenden Betriebsbedingungen korrigiert werden, da bislang,
insbesondere beim Modul der 2 das Modell
so gestaltet wurde, daß die
maximal mögliche Öltemperatur
am Ausgang des Addierknotens vorliegt. Deshalb wird nachfolgend
der am Ausgang des Addierknotens gelieferte Wert mit verschiedenen
Korrekturfaktoren multipliziert.
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Zuerst
wird aus einem Kennfeld KF5 aus der Fahrzeuggeschwindigkeit VS und
der Ansauglufttemperatur TIA ein Korrekturfaktor gewonnen, der zwischen
0 und 1 liegt und multiplikativ mit dem vorliegenden Wert für die Öltemperatur
verknüpft
wird.
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Dann
wird mit einem weiteren Korrekturfaktor multipliziert, der sich
additiv aus dem Ausgang eines Kennfeldes KF6 und dem Ausgang eines
Kennfeldes KF7 ergibt. Das Kennfeld KF6 liefert dabei einen kühlmitteltemperaturabhängigen Korrekturwert und
das Kennfeld KF7 einen drehzahlabhängigen Korrekturwert. Nach
ihrer additiven Verknüpfung
liegt dieser Korrekturwert zwischen 0 und 2.
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Der
derart korrigierte Wert für
die Öltemperatur
wird dann schließlich
mit dem Ausgang eines weiteren Kennfeldes KF8 multiplikativ verknüpft und
das abhängig
von der Kühlmitteltemperatur
TCO und der Zeit TAS nach dem Start der Brennkraftmaschine einen
zwischen 0 und 1 liegenden Korrekturfaktor liefert, der mit anwachsender
Zeit TAS nach Start der Brennkraftmaschine auf 1 anwächst.
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Natürlich ist
es auch möglich,
noch weitere Korrekturen über
geeignete Kennfelder durchzuführen.
Beispielsweise kann man noch eine weitere Nachführungskonstante multiplikativ
verknüpfen,
die das zeitliche Verhalten des Modells verbessert.
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Derart
korrigiert liegt am Knoten 3 dann der Wert für die Öltemperatur TOIL vor. Dieser
Wert kann direkt verwendet werden oder über einen Integrator geeignet
geglättet
bzw. gemittelt werden.