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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung. Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind beispielsweise aus der Schrift „Ottomotor-Management, Robert Bosch GmbH, Vieweg, 1998, Seiten 360 bis 364” ISBN 3-18-419122-2 bekannt.
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Brennkraftmaschinen mit Benzindirekteinspritzung werden in mindestens zwei Betriebsarten betrieben, zwischen denen abhängig von wenigstens einem Freigabesignal umgeschaltet wird. Als Betriebsarten sind dabei insbesondere der Homogenbetrieb und der Schichtbetrieb zu nennen. Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise der
DE 198 50 584 A1 zu entnehmen. Die Betriebsart wird nach Maßgabe eines Betriebsartenkennfeldes abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausgewählt. Ferner wird das Freigabesignal für die aktuelle Betriebsart unter anderem dann zurückgesetzt (und eine Umschaltung in eine andere Betriebsart bewirkt), wenn in dieser Betriebsart das angeforderte Drehmoment unter Einhaltung vorgegebener Grenzen für das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis (Lambda-Grenzwert) nicht erzeugt werden kann. So wird beispielsweise in einem solchen Fall in der aktuellen Betriebsart Schichtbetrieb das Freigabesignal für die Betriebsart Schichtbetrieb zurückgesetzt und z. B. auf den Homogenbetrieb umgeschaltet.
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Realisiert wird diese Freigabe über einen Momentenvergleich. Es wird ein für die Betriebsart geltender Lambda-Grenzwert (für den Schichtbetrieb ein minimaler Wert) vorgegeben, aus dem ein minimaler bzw. maximaler Lambda-Wirkungsgrad abgeleitet wird. Ebenfalls wird für die in dieser Betriebsart einzustellende Luftfüllung (Sollfüllung) ein optimales Drehmoment aus einem betriebsartenspezifischen, drehzahlabhängigen Kennfeld abgeleitet. Dieses Kennfeld ist dabei für bestimmte Normbedingungen, auch bezüglich des Luft/Kraftstoffverhältnisses, bedatet, so dass der oben erwähnte Lambda-Wirkungsgrad die Abweichung des Drehmoments bei einer bestimmten Abweichung des Lambda-Wertes vom Normwert repräsentiert. Durch Verknüpfung des Lambda-Wirkungsgrades mit dem optimalen Drehmoment wird ein minimal bzw. maximal mögliches Drehmoment für die Betriebsart gebildet. Das maximal mögliche Drehmoment stellt also das Moment dar, das sich bei gewünschter Sollfüllung und (mit Blick auf die Lambda-Grenze) maximal möglicher stationärer Kraftstoffzufuhr ergibt. Mit diesem maximal möglichen Moment wird das angeforderte Solldrehmoment verglichen. Bleibt das angeforderte Solldrehmoment unterhalb des maximal möglichen, so bleibt die Betriebsart freigegeben, da das angeforderte Drehmoment für die vorliegende Betriebsart innerhalb der vorgegebenen Lambda-Grenzen realisiert werden kann.
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Die Freigabe der Betriebsart in der oben geschilderten Art und Weise findet auf der Basis der gewünschten Sollfüllung statt. Es gibt jedoch Betriebsarten, in denen das Drehmoment der Brennkraftmaschine primär über den Kraftstoffpfad gestellt wird. Die geschilderte Vorgehensweise zur Freigabe der Betriebsart setzt also voraus, dass sich das über den Kraftstoffpfad realisierte Moment stationär dem über den Luftpfad gewünschten Moment entspricht. Weicht jedoch stationär das Moment über den Kraftstoffpfad von dem des Luftpfades ab, so führt dies zu einem dauerhaften Überschreiten der stationären Betriebsgrenzen. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn für eine längere Zeit eine Erhöhung der Momentenanforderung über den Kraftstoffpfad durch die Leerlaufregelung vorliegt. Dies führt zu einem starken Anfetten infolge der erhöhten Kraftstoffzufuhr, so dass die stationäre Lambda-Grenze überschritten wird. Dieser Zustand kann zwar beim kurzzeitigen, dynamischen Betrieb toleriert werden, jedoch nicht für eine längere Zeit, da die Folge der Überschreitung dieser Grenze (auch Brenngrenze genannt) zu Rußbildung und/oder Aussetzer führen kann.
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In der
DE 197 28 112 A1 ist ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung auf Momentenbasis dargestellt. Dabei wird das Drehmoment im gedrosselten Homogenbetrieb wie aus herkömmlichen Steuersystemen bekannt auf der Basis der Momentenanforderung über den Luftpfad eingestellt und nach Maßgabe des vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnisses (in der Regel stöchiometrisch) die einzuspritzende Kraftstoffmenge vorgegeben. Bei Vorliegen der Bedingungen für den Schichtbetrieb wird die Betriebsart umgeschaltet, d. h. die Betriebsart Schichtbetrieb freigegeben. In dieser Betriebsart wird die Momentenanforderung über den Kraftstoffpfad eingestellt, während die Drosselklappe im Wesentlichen geöffnet wird.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Berücksichtigung der Momentenanforderung über den Kraftstoffpfad bei Ermittlung des Freigabesignals (B_SCHEN) einer Betriebsart, insbesondere des Schichtbetriebes oder einer anderen Betriebsart, in welcher die Brennkraftmaschine ungedrosselt betrieben wird, wird ein länger andauerndes Überschreiten der stationären Betriebsgrenze und somit mögliche Rußbildung oder Verbrennungsaussetzer wirksam vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Prüfung, ob das tatsächlich angeforderte Moment noch in der gewünschten Betriebsart zu realisieren ist, nur bei Überschreiten der stationären Betriebsgrenzen geprüft wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. 1 zeigt dabei ein Übersichtsblockschaltbild einer Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung. 2 skizziert ein Ablaufdiagramm, welches die Bildung eines Freigabebits für eine Betriebsart am Beispiel des Schichtbetriebs darstellt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 ist eine Steuereinheit 10 dargestellt, welche als Elemente zumindest eine Eingangsschaltung 12, wenigstens einen Mikrocomputer 14, eine Ausgangsschaltung 16 und ein dieses verbindendes Kommunikationssystem 18 umfasst. Der Eingangsschaltung 12 werden Eingangsleitungen zugeführt, über die von entsprechenden Messeinrichtungen Signale zugeführt werden, die Betriebsgrößen repräsentieren oder aus denen Betriebsgrößen ableitbar sind. Beispielhaft sind eine Eingangsleitung 20 dargestellt, welche die Steuereinheit mit einer Messeinrichtung 22 verbindet, die ein den Betätigungsgrad β des Fahrpedals repräsentierende Größe ermittelt, eine Eingangsleitung 24, die von einer Messeinrichtung 26 stammt und über die ein die Motordrehzahl Nmot repräsentierende Größe zugeführt wird, eine Eingangsleitung 28, über die die Steuereinheit 10 mit einer Messeinrichtung 30, welche ein die zugeführte Luftmasse HFM repräsentierendes Signal abgibt, verbunden ist. Ferner sind Eingangsleitungen 36 bis 40 vorgesehen, die weitere, Betriebsgrößen repräsentierende Signale von Messeinrichtungen 42 bis 46 herbeiführen. Beispiele für derartige Betriebsgrößen, die bei der Steuerung der Brennkraftmaschine Verwendung finden, sind Temperaturgrößen, die Stellung der Drosselklappe, die Abgaszusammensetzung, etc. Zur Steuerung der Brennkraftmaschine gehen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel von der Ausgangsschaltung 16 Ausgangsleitungen 48 bis 52 zur Steuerung von Einspritzventilen 54 sowie eine Ausgangsleitung 56 zur Steuerung einer elektromotorisch verstellbaren Drosselklappe 58 aus. Ferner wird (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt) der Zündwinkel gesteuert.
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Zur Steuerung der Brennkraftmaschine wird eine Momentenanforderung gebildet, wobei verschiedene interne und/oder externe Momentenanforderung zur Bildung einer resultierenden Momentenanforderung an die Brennkraftmaschine koordiniert werden. Beispiele für solche Anforderungen sind Anforderungen vom Fahrer, von externen Systemen wie einer Antriebsschlupfregelung, etc. Die Umsetzung der Momentenanforderung erfolgt unterschiedlich je nach ausgewählter Betriebsart der Brennkraftmaschine. Im Homogenbetrieb wird das resultierende Sollmoment aufgeteilt auf den langsam reagierenden Füllungspfad und dem schnell wirkenden kurbelwellensynchronen Pfad, wobei der Füllungspfad der Hauptpfad ist und das stationäre Drehmoment einstellt. Es wird aus dem Sollmoment eine Sollfüllung berechnet, die durch Einstellen der Drosselklappe eingestellt wird. Im kurbelwellensynchrone Pfad wird durch Beeinflussung von Zündzeitpunkt und/oder Kraftstoffzumessung das gewünschte Drehmoment dynamisch eingestellt.
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Auch im Schichtbetrieb wird das resultierende Sollmoment auf den langsam reagierenden Füllungspfad und dem schnell wirkenden kurbelwellensynchrone Pfad aufgeteilt. Hier wirkt der kurbelwellensynchrone Pfad als Hauptpfad. Da aus Verlustgründen die Drosselklappe so weit wie möglich geöffnet sein soll wird die Sollfüllung im Schichtbetrieb und somit die Einstellung der Drosselklappe nicht nach Maßgabe des Sollmoments, sondern nach Maßgabe des mindest notwendigen Saugrohrunterdrucks vorgenommen. Das Sollmoment wird dann durch Bestimmung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse umgesetzt. Entsprechendes gilt für die anderen Betriebsarten mit entdrosseltem Betrieb, beispielsweise dem Homogenmagerbetrieb. Ausgangssignale von Zusatzfunktionen wie z. B. einer Leerlaufregelung werden zumindest im ungedrosselten Betrieb dem Sollmoment für den schnellen Pfad (Kraftstoffpfad) aufgeschaltet und können somit das Sollmoment stationär verändern insbesondere erhöhen.
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Die Auswahl der aktuellen Betriebsart erfolgt mit Hilfe eines Betriebsartenkennfeldes, wobei in Abhängigkeit der Drehzahl und der Last bzw. dem Drehmoment die aktuelle Betriebsart ausgewählt wird. Diese Auswahl wird unter bestimmten Umständen höherer Priorität überschrieben. Einer dieser Umstände ist, dass das angeforderte Moment in der ausgewählten Betriebsart im Rahmen der Lambda-Grenzen nicht einstellbar ist. Ist dies der Fall, wird die Freigabe der aktuellen Betriebsart zurückgesetzt, d. h. die Betriebsart verboten, und auf eine andere Betriebsart umgeschaltet. In diesem Zusammenhang wird ein Freigabesignal gebildet, welches einen die jeweilige Betriebsart freigebenden Wert einnimmt, wenn das angeforderte Moment im Rahmen der Lambda-Grenzen in dieser Betriebsart einstellbar ist. Die Bildung dieses Signals und somit die Freigabe bzw. das Verbot einer Betriebsart wird nachfolgend anhand des in 2 dargestellten Ablaufdiagramms näher erläutert.
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Das in 2 dargestellte Ablaufdiagramm skizziert ein Programm, welches in der Rechnereinheit der Steuereinheit 10 abläuft. Die verwendeten Elemente und Symbole stellen dabei Programmschritte oder Programmteile dar, während die Verbindungslinien den Informationsfluss repräsentieren.
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Das in 2 dargestellte Programm zeigt die Bildung eines Freigabesignals B_SCHEN für den Schichtbetrieb einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung. Für die anderen Betriebsarten sind entsprechende Programme und die Bildung entsprechender Freigabesignale vorhanden, wobei die jeweiligen Grenzwerte und Signale entsprechend anzupassen sind.
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Die Bildung des Freigabesignals B_SCHEN wird in einem Vergleicher 100 vorgenommen, in dem das maximal mögliche Moment MIMAXSCH unter Einhaltung der Lambda-Grenzen im aktuellen Betriebszustand mit einem angeforderten Moment MIENSCH (Sollmoment) verglichen wird.
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Das dem Momentenvergleich 100 zugrunde liegende maximale Moment MIMAXSCH wird aus einem optimalen Moment für den Schichtbetrieb MIOPTSCH und dem Lambda-Wirkungsgrad ETALAMSCH für den minimal möglichen Lambda-Wert in der Verknüpfungsstelle 124 (Multiplikationsstelle) gebildet. Der Lambda-Wirkungsgrad wird aus dem Wirkungsgradkennfeld 126 nach Maßgabe der minimal möglichen Lambda-Größe LAMBDAMINSCH gebildet, während das optimale Moment aus einem Kennfeld 128 in Abhängigkeit der Motordrehzahl NMOT und der Sollfüllung RLSOLL ermittelt wird. IN anderen Betriebsarten werden andere Kennfelder, Kennlinien und Größen verwendet.
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Das dem Momentenvergleich zugrundeliegende angeforderte Moment MIENSCH stellt in der Regel (vergleiche durchgezogene Stellung des Schaltelements 102) das stationär über dem Luftpfad gewünschte Moment MISOLLLUFT dar. Wie oben erwähnt, hat es sich in einem Anwendungsfall gezeigt, dass diese Vorgehensweise unter bestimmten ungünstigen Umständen zu einem längeren Überschreiten der stationären Brenngrenze und somit zur Rußbildung oder zu Aussetzern führen kann. Um dies zu vermeiden wird unter bestimmten Bedingungen das Schaltelement 102 in die gestrichelte Stellung geschaltet, so dass das dem Vergleich 100 zugrunde liegende Momentenanforderungssignal MIENSCH aus dem Anforderungssignal für den Kraftstoffpfad MISOLLKR gebildet wird. Dieses kann sich in bestimmten Betriebszuständen von dem auf dem Luftpfad angeforderten Moment unterscheiden, da Zusatzfunktionen wie beispielsweise eine Leerlaufregelung auf das Momentenanforderungssignal für den Kraftstoffpfad beispielsweise additiv aufgeschaltet werden und somit dieses erhöhen. Das Schaltelement 102 wird umgeschaltet, wenn ein längeres Überschreiten der stationären Lambdagrenze bei einer hohen Momentenanforderung erkannt wurde. Zu diesem Zweck wird in einem Vergleicher 104 der minimal mögliche Lambda-Wert im Schichtbetrieb LAMBDAMINSCH mit dem Sollambdagrenzwert LAMBDASCH, das auf den dynamisch möglichen Bereich begrenzte Solllambda aus der Momentenstruktur, im Schichtbetrieb verglichen. Unterschreitet letzterer den minimalen Wert, so wird vom Vergleicher 104 ein Signal erzeugt, welches einer Und-Verknüpfung 106 zugeführt wird. Entsprechend wird in einem Vergleicher 108 das Anforderungsmoment für den Kraftstoffpfad MISOLLKR mit dem Anforderungsmoment MISOLLLUFT für den Luftpfad verglichen. Ist das Anforderungsmoment MISOLLKR für den Kraftstoffpfad größer als das für den Luftpfad MISOLLLUFT, so erzeugt der Vergleicher 108 ebenfalls ein Signal, welches der Und-Verknüpfung 106 zugeführt wird. Liegen beide Bedingungen vor, so erzeugt die Und-Verknüpfung 106 ein Ausgangssignal, welches einer weiteren Und-Verknüpfung 110 zugeführt ist. Liegt ein Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 106 vor, so bedeutet dies, dass ein Unterscheiten der stationären Lambda-Grenze bei hoher Momentenanforderung auf dem Kraftstoffpfad vorliegt, d. h. eine Momentenanforderung über den Kraftstoffpfad, welche über dem über den Luftpfad zu realisierenden Wunschmoment liegt. In der Und-Verknüpfung 110 wird neben dem Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 106 das Statussignal B_sch verknüpft, welches anzeigt, ob die aktuelle Betriebsart der Schichtbetrieb ist oder nicht. Ist es der Schichtbetrieb, so ist dieses Signal positiv, so dass bei vorhandenem Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 106 auch die Und-Verknüpfung 110 ein Ausgangssignal erzeugt. Dieses setzt die Flip-Flop-Funktion 112. Um eine Umschaltung des dem Momentenvergleich zugrunde liegenden Signals nur dann vorzunehmen, wenn die Unterschreitung der Lambda-Grenze bei hoher Momentenanforderung längere Zeit anliegt, ist ferner ein Verzögerungsglied 114 vorgesehen, in welchem das Ausgangssignal der Flip-Flop-Funktion 112 verzögert wird. Das Ausgangssignal der Verzögerungsstufe 114 schaltet dann gegebenenfalls das Schaltelement 102 in die gestrichelte Stellung um.
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Ein Rücksetzen der Flip-Flop-Funktion 112 und damit des Schaltelements 102 findet unter verschiedenen Bedingungen statt, zum einen, wenn die Lambda-Grenze nicht mehr unterschritten wird oder wenn die stationäre Momentenanforderung ggf zuzüglich einem Hysteresewert über dem Kraftstoffpfad kleiner als das über den Luftpfad zu realisierende Moment wird oder wenn in der aktuellen Betriebsart der Momentenvergleich wieder erfüllt ist, d. h. das Freigabesignal B_SCHEN gesetzt wird, wenn gleichzeitig das Schaltsignal für das Schaltelement 102 gesetzt ist. Diese Bedingungen sind in 2 dadurch dargestellt, dass das Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 106 im Inverter 116 invertiert einer Oder-Verknüpfung 118 zugeführt wird. Deren Ausgangssignal setzt die Flip-Flop-Funktion 112 zurück. Der andere Eingang der Oder-Verknüpfung 118 bildet das Ausgangssignal der Und-Verknüpfung 120, in der die Informationen über eine Änderung des Freigabesignals B_SCHEN mittels der Flankenerkennung 122 sowie der Status des Ausgangssignals der Verzögerungsstufe 114 verknüpft sind. Ist das Umschaltsignal des Schaltelements 102 gesetzt und liegt gleichzeitig eine Flanke im Freigabesignal vor, so wird die Flip-Flop-Funktion 112 zurückgesetzt.
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Durch die oben genannte Darstellung wird also zunächst erfasst, ob ein dauerhaftes Unterschreiten der stationären Lambda-Grenze bei hoher Momentenanforderung auf dem Kraftstoffpfad vorliegt. Dabei liegt eine erhöhte Momentenanforderung dann vor, wenn das über den Kraftstoffpfad zu realisierende Moment größer als das langfristig über den Luftpfad zu realisierende Wunschmoment ist. In dem Anforderungssignal für das Moment für den Kraftstoffpfad sind Funktionen mitberücksichtigt, die zu einer stationären Änderungen führen, wie beispielsweise eine Leerlaufregelung, während Funktionen, die nur dynamische Eingriffe durchführen, wie beispielsweise eine Antiruckelfunktion, nicht berücksichtigt sind. Ist also die stationäre Lambda-Grenze unterschritten bei hoher Momentenanforderung auf den Kraftstoffpfad, so wird nach einer vorgebbaren Zeit das dem Momentenvergleich zur Freigabe zugrunde liegende Sollmoment von dem auf dem Luftpfad gewünschten Momentenwert auf den über den Kraftstoffpfad zu realisierenden Momentenwert umgeschaltet.
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Um ein Toggeln des Momentenvergleichs zu vermeiden, wird das über dem Kraftstoffpfad zu realisierende Moment mit einem Hysteresewert MSOLLHYST in der Verknüpfungsstelle 130 addiert. Bei Auftreten eines Signals am Ausgang der Verzögerungsstufe 114 wird das Schaltelement 132 in die gestrichelte Stellung umgeschaltet, so dass dem weiteren Vergleich in 108 ein größerer Wert zugrunde liegt. Ein Toggeln des Signals am Ausgang von 114 und somit des Momentenvergleichs selbst wird wirksam vermieden.
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Im Momentenvergleich wird das auf die dargestellte Weise ermittelte stationäre Wunschmoment mit den maximal theoretisch möglichen Moment in der aktuellen Betriebsart verglichen. Ist das erstgenannte Moment größer als das maximal mögliche an der stationären Grenze, so wird die Betriebsart verboten.
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Andernfalls ist die Betriebsart erlaubt. Somit erfolgt nicht automatisch ein Verbot der aktuellen Betriebsart, wenn die oben genannten Bedingungen erfolgen, sondern nur dann, wenn sich das stationäre Moment über den Kraftstoffpfad außerhalb der stationären Betriebsgrenzen befindet. Ist das Freigabesignal B_SCHEN gesetzt, so wird die ausgewählte aktuelle Betriebsart durchgeführt, während bei einem Verbot ein Betriebsartenwechsel in eine andere Betriebsart vorgenommen werden muss. Die Umschaltung des stationären Wunschmomentes findet auch während dieser neuen Betriebsart statt. Ist der Momentenvergleich dann immer noch nicht erfüllt, so wird die letzte Betriebsart (im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Schichtbetrieb) nicht erlaubt. Damit wird ein sofortiges Wechseln in die alte Betriebsart und damit ein wiederholtes Verbot und ein daraus resultierendes Toggeln der Betriebsarten vermieden.
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Es wird also zumindest in dem oben geschilderten Betriebszustand zur Beeinflussung des Status des Freigabesignals das tatsächlich in diesem Betriebszustand einzustellende Sollmoment herangezogen.