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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Erfassung von Fehlzündungen bei einem Verbrennungsmotor
mit innere Verbrennung (Innenverbrennungsmotor) eines Kraftfahrzeugs
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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In der Kraftfahrzeugindustrie werden
große Anstrengungen
unternommen, eine kontinuierliche On-Board-Überwachung von Systemen und
Komponenten; die die Fahrzeugabgasemissionen beeinflussen, zu entwickeln.
Ein besonders schwieriges Problem ist dabei die On-Board-Diagnose
von Motorverbrennungsstörungen,
was üblicherweise
als Fehlzündungserfassung
bezeichnet wird. Diese Aufgabe muß unter praktisch sämtlichen
Betriebsbedingungen erfüllt
werden. Fehlzündungen
können
durch Funktionsstörungen
eines Kraftstoffinjektors, durch Ausfälle von Funken einer Zündkerze,
durch ein zu mageres oder zu fettes Gemisch und ähnliches entstehen.
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Die Fehlzündungserfassung muss dabei
bereits bei niedrigen Werten wie einem Prozent Fehlzündungen
ansprechen, wobei die Erfassung schnell erfolgen muß, so daß eine Beschädigung des
Abgasnachbehandlungssystems verhindert wird. Ein solches Diagnoseverfahren
muß bei
allen Fahrzeugen kontinuierlich in Echtzeit und unter Überwachung
des Verbrennungsvorgangs jedes Zylinders des Motors funktionieren.
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Ein Schutz vor falschem Alarm ist
dabei wichtig, denn die Folge des Überschreitens der Fehlzündungsgrenze
ist ein Aufleuchten der Pannenwarnlampe und veranlaßt den Fahrer,
eine Reparaturwerkstatt aufzusuchen. Auf der anderen Seite ist hohe
Effizienz und Genaugkeit der Erfassung notwendig, um zu ermitteln,
ob die Fahrzeugemissionen korrekt sind.
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Derzeit werden Benzinmotoren mit
Direkteinspritzung entwickelt, um die Kraftstoffökonomie zu verbessern und damit
die Emissionen zu reduzieren. Einer der Vorteile der Direkteinspritzungsbauweise ist
die Fähigkeit,
mit geschichteten Verbrennungsladungen zu arbeiten. Durch das Versetzen
des Kraftstoffinjektors in den Verbrennungsraum kann der Kraftstoff
in dem Verbrennungsraum präzise
verteilt werden. Dies ermöglicht
es, in der Nähe
der Zündkerze
ein fettes Gemisch bereitzustellen, während anderswo in dem Verbrennungsraum
eine magerere Mischung vorhanden ist. Geschichtete Verbrennungsladungen
erlauben, daß Abmessungen
bzw. andere Variablen optimiert werden, um die Kraftstoffökonomie
während
des Motorbetriebes zu verbessern. Die Steuerung von Luft-/Kraftstoffverhältnissen (10:1
bis 60:1) und Verbrennungsarten (homogen, mager-homogen und mager-geschichtet)
kann die Kraftstoffökonomie
dadurch verbessern, daß bei
jedem Betriebspunkt des Motors dieser mit den dafür effizientesten
Parameter arbeitet.
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Aktuelle fremdgezündete Motoren laufen im homogenen
stöchiometrischen
Modus. Traditionell bedeutet dies eine Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
auf ungefähr
14,6:1 über
den gesamten Betriebsbereich des Motors. Einer der für die Festlegung
des Abtriebsdrehmoments des Motors verwendeten Parameter ist die
Motorlast. Die Motorlast wird im allgemeinen definiert als das Verhältnis der
aktuellen Zylinderluftfüllung
dividiert durch die potentielle maximale Zylinderluftfüllung. Bei
einem Motor, der die Hälfte
der maximal möglichen
Menge an Zylinderluft ansaugt, wäre
die Motorlast also 0,5 oder 50%. Dieser Parameter ist eine Verhältniszahl,
die für
den Motorhubraum standardisiert ist. Dies erlaubt einen unabhängig von
Hubraum und Kalibrierungen des Motors konsistenten Wert, wodurch
verschiedene Hubräume
schnell verglichen werden können.
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Der aktuelle Trend, vom homogenen
Betrieb zum Betrieb in Schichtladung überzugehen, macht den Motorlastparameter
bedeutungslos. Der entscheidende Faktor für die Motorleistungsabgabe (oder
das Drehmoment) ist nicht mehr die in den Zylinder angesaugte Luftmenge.
Der entscheidende Faktor ist jetzt die Menge des verbrauchten Kraftstoffs.
Mit anderen Worten ist der für
die Motorleistungsabgabe entscheidende Faktor das Luft-/Kraftstoffverhältnis und
der Verbrennungsmodus. Dies veranlaßt die Entwickler von Motorsteuerungssystemen
zur Entwicklung von Motordrehmoment-basierten Algorithmen. Die Größe des vom
Fahrer gewünschten
Motordrehmoments wird in ein Luft-/Kraftstoffverhältnis und
in einen Motorbetriebsmodus umgerechnet. Diese Parameter (und andere)
können dann
optimiert werden, um unter Berücksichtigung des
Fahrkomforts, der Emissionen und sonstiger Faktoren die beste Kraftstoffökonomie
zu erhalten.
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Neue Motorsteuerungs-Algorithmen
stellen eine Herausforderung an den Fehlzündungsüberwachungs-Algorithmus der
On-Board-Diagnose dar. Im Rahmen dieses Algorithmus wird üblicherweise
das Motordrehmoment herangezogen, um Fehlzündungen durch den Vergleich
mit einem berechneten Motorbeschleunigungsparameter zu erfassen.
Aktuelle On-Board-Diagnose-Algorithmen verwenden dabei eine Tabelle
aus Motordrehzahl und Motorlast, um eine Leistungsabgabeschwelle
für die
Erfassung von Fehlzündungen
zu bestimmen.
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Wie oben ausgeführt, ist es nicht möglich, die aktuellen
Standardisierungsparameter für
solche On-Board-Diagnose-Algorithmen anzuwenden. Ein sinnvolleres
Mittel für
die Standardisierung der die Erfassungsschwelle definierenden Kriterien über den Betriebsbereich
ist daher erforderlich.
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In der Veröffentlichung „In-Cylinder
Measurement for Engine Cold-Start Control" von Per Tunestal et al., veröffentlicht
in „Proceedings
of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications", Hawaii, USA 1999,
Seiten 460–464
wird ein Verfahren zur Erfassung von Fehlzündungen bei einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor
beschrieben, bei dem der Motorhubraum und dessen Drehmoment bestimmt
wird. Hieraus wird ein IMEP-Parameter berechnet, der zur Detektion
von Fehlzündungen
herangezogen wird.
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Weiterhin ist aus der
DE 196 07 154 C2 eine Motorsteuerung
bekannt, bei der ebenfalls ein IMEP-Parameter bestimmt wird, anhand
dessen die Laufruhe des Motors analysiert wird.
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Diese vorbekannten Verfahren sind
jedoch hinsichtlich der präzisen
Bestimmung von Fehlzündungen
weiter verbesserungsfähig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte
Vorrichtung zur Erfassung von Fehlzündungen bei einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor zu
schaffen, mit denen die Erkennung von Fehlzündungen weiter verfeinert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe durch eine
Vorrichtung nach Patentanspruch 5 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist zur Erfassung von Fehlzündungen
also vorgesehen, daß der
Hubraum des Motors bestimmt wird, das Drehmoment des Motors bestimmt
wird, ein mittlerer Effektivdruckparameter (IMEP) für den Motor
berechnet wird, wobei der mittlere Effektivdruckparameter dem Motordrehmoment
geteilt durch den Motorhubraum entspricht, daß ein maximaler mittlerer Effektivdruckparameter (IMEP_max)
für den
Motor bestimmt wird, daß ferner ein
standardisierter mittlerer Effektivdruckparameter (IMEP_low) für den Motor
berechnet wird, wobei dieser standardisierte mittlere Effektivdruckparameter der
mittlere Effektivdruckparameter geteilt durch den maximalen mittleren
Effektivdruckparameter ist, und daß zur Entdeckung von Fehlzündungen
der standardisierte vorgegebene mittlere Effektivdruckparameter überwacht
wird. Insbesondere werden zur Entdeckung von Fehlzündungen Änderungen
des standardisierten mittleren Effektivdruckparameters überwacht.
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Die Erfindung wird nachstehend mit
Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen
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1 ein
Motorsteuerungssystem für
einen Innenverbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Fehlzündungsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein
Flußdiagramm
mit der Beschreibung des Betriebs des Fehlzündungsüberwachungssystems und des
damit verbundenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
ein Motorsteuerungssystem für einen
Motor 1. Der Motor 1 ist dabei ein Mehrzylinder-Kraftfahrzeug-Benzinmotor
und wird in 1 als ein
Motor mit Direkt einspritzung beispielhaft gezeigt. Das Motorsteuerungssystem
nach der vorliegenden Erfindung ist jedoch auf sämtliche Motortypen anwendbar.
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Der in 1 gezeigte
Motor 1 weist für
jeden Zylinderkopf 2 eine Zündkerze 3 und ein
Kraftstoffeinspritzventil 4 auf. Kraftstoff wird vom Kraftstoffeinspritzventil 4 in
einen Verbrennungsraum 5 eingespritzt. Ein Kolben sitzt
verschieblich in jedem Zylinder 6 des Motors 1.
An der Oberseite des Kolbens 7 ist eine Vertiefung in einer
Weise ausgeformt, daß Kraftstoffnebel,
der von dem Kraftstoffeinspritzventil 4 im letzten Stadium
des Verdichtungshubs des Kolbens 7 eingespritzt wird, die
genannte Vertiefung erreichen kann.
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Eine Einlaßnockenwelle 11 und
eine Auslaßnockenwelle 12 treiben
jeweils ein Einlaßventil 9 und ein
Auslaßventil 10 an.
Die Einlaßnockenwelle 11 und
die Auslaßnockenwelle 12 sind
drehbar im Zylinderkopf 2 gehalten. Eine Ansaugöffnung 13 erstreckt sich
im Zylinderkopf 2 zwischen der Einlaßnockenwelle 11 und
der Auslaßnockenwelle 12.
Eine Auslaßöffnung 14 erstreckt
sich parallel zum Zylinderkopf 2.
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Ein Kühlmitteltemperatursensor 16 erfaßt die Temperatur
des Kühlwassers.
Ein Kurbelwellenstellungssensor 17 gibt ein Kurbelwellensignal
ab, wenn jeder Zylinder eine vorherbestimmte Kurbelwellenposition
einnimmt (beispielsweise 5° und
75° vor
dem oberen Totpunkt OT). Eine Zündspule 19 liefert
Spannung an die Zündkerze 3.
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Ein Ansaugkrümmer 21 ist mit der
Ansaugöffnung 13 und
einem Ansaugrohr 25 verbunden. Das Ansaugrohr 25 ist
mit einem Luftstromsensor 32, einem Luftreiniger 22 und
einem Drosselkörper 23 ausgestattet.
Der Drosselkörper 23 ist
mit einem Drosselklappenventil 28 zur Öffnung und Schließung seines
Strömungsdurchgangs
versehen. Der Drosselkörper 23 weist
des weiteren einen Drosselklappenstellungssensor 29 für das Erfassen
eines Winkels des Drosselklappenventils 28 und einen Leerlaufschalter 30 für das Erfassen
des vollständig
geschlossenen Zustandes des Drosselklappenventils auf. Der Drosselklappenstellungssensor 29 gibt
eine Drosselklappenspannung entsprechend einem Winkel des Drosselklappenventils 28 ab.
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Das Motorsteuergerät (ECU) 70 erfaßt die Drosselklappenspannung,
um den Winkel des Drosselklappenventils 28 festzustellen.
Ein Luftstromsensor 32 erfaßt die Ansaugluftmenge. Die
Ansaugluftmenge kann durch den Krümmerdruck in dem Ansaugkrümmer 21 bestimmt
werden.
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Ein Auspuffkrümmer 41 mit Sauerstoffsensor 40 ist
mit der Auslaßöffnung 14 verbunden.
Ein Katalysator 42 sowie ein mit einem Schalldämpfer ausgerüstetes Auspuffrohr 43 sind über ein
Abgasrückführungs-Rohr 44 mit
dem stromauf liegenden Teil des Ansaugkrümmers 21 verbunden.
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Ein Kraftstofftank 50 ist
in der Fahrzeugkarosserie angeordnet. Aus dem Kraftstofftank 50 wird Kraftstoff über eine
Kraftstoffpumpe 51 abgepumpt und durch ein Zuführrohr 52 Richtung
Motor 1 geführt.
Der Kraftstoff wird von einer mit dem Zylinderkopf 2 verbundenen
Einspritzpumpe 55 über
ein Zuführrohr 56 zu
jedem der Kraftstoffeinspritzventile 4 geführt.
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Das Motorsteuergerät 70 führt die
allgemeine Steuerung des Motors 1 aus und umfaßt eine
Eingabe-/Ausgabevorrichtung, Speichervorrichtungen (ROM, RAM usw.)
mit Steuerprogrammen und Steuerkennfeldern, die darin gespeichert
sind, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Zeitsteuerung usw.
Das Motorsteuergerät 70 bestimmt
auf der Grundlage der von den Motorsensoren übermittelten erfaßten Informationen
einen Kraftstoffeinspritzmodus und eine Kraftstoffeinspritzmenge,
setzt des weiteren den Zündzeitpunkt
und die Abgasrückführungs-Menge
fest, und steuert den Antrieb des Kraftstoffeinspritzventils 4,
die Zündspule 19,
das Abgasrückführungs-Ventil 45 usw.
Eine Anzahl weiterer Sensoren ist ebenfalls mit dem Motorsteuergerät 70 verbunden.
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In 2 wird
ein Fehlzündungsüberwachungssystem 100 zur
Nutzung in Verbindung mit dem Motor 1 gezeigt. Das System 100 umfaßt Mittel für die Erfassung
des Motordrehmoments 102, Mittel für die Bestimmung des Motorhubraums 104,
eine Rechnereinheit für
den vorgegebenen mittleren Effektivdruck (IMEP) und eine Fehlzündungsüberwachungsvorrichtung 108.
Das genannte Mittel 102 ermittelt das Motordrehmoment durch
Erfassung mindestens eines der Werte Motordrehzahl, Drosselklappenstellung,
Ansaugdruck, angesaugte Luftmasse, Zündwinkel und Luft-/Kraftstoffverhältnis. Das
Motordrehmoment ist das geschätzte
vom Motor 1 abgegebene Drehmoment oder ist ein vom Fahrer
abgerufenes verfügbares
Drehmoment.
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Das Drehmoment des Motors 1 entspricht dem
von der Kurbelwelle 11 abgegebenen Drehmoment.
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Unter Bezugnahme auf 3 und 2 wird
der Betrieb des Fehlzündungsüberwachungssystems 100 anhand
des Flußdiagramms 110 beschrieben.
Das Mittel 104 bestimmt den Motorhubraum des Motors 1 aufgrund
der im Motorsteuergerät 70,
wie bei Block 112 gezeigt, gespeicherten Kalibrierungsgrößen. Der
Motorhubraum für
den Motor 1 wird in Volumeneinheiten, wie z.B. Kubikzoll
oder Litern, gemessen. Im allgemeinen hängt der Motorhubraum des Motors
von der Größe des Motors,
insbesondere von der Geometrie der Zylinder und Kolben des Motors,
der Zahl der Zylinder, von deren Bohrung und Hub und ähnlichem
ab. Der Motorhubraum ist die Summe sämtlicher Kolbenhübe aller
Zylinder. Die Kolbenhübe
entsprechen dabei dem von einem in Bewegung befindlichen Kolben
bewegten Luftvolumen. Das Mittel 102 bestimmt dann, wie
bei Block 114 gezeigt, das Drehmoment des Motors 1.
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Der IMEP-Rechner berechnet anschließend, wie
in Block 116 gezeigt, den vorgegebenen mittleren Effektivdruck(IMEP)-Parameter.
Dieser IMEP-Parameter ist ein eng mit der Motordrehmomentabgabe verbundener
Parameter. Der IMEP-Parameter entspricht insbesondere dem Motordrehmoment
geteilt durch den Motorhubraum. Technisch ausgedrückt: IMEP
(Pfund pro Quadratzoll) = (150,8·Drehmoment (lb-ft))/ (Motorhubraum
(Kubikzoll)). In metrischen Einheiten: IMEP (Kilo-Pascal) = (0,1256· Drehmoment
(Newton·Meter))/(Motorhubraum
(Liter)).
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Insbesondere gilt, daß IMEP (Pfund
pro Quadratzoll) = (Drehmoment (ft-lb)·12·2 33,000)/(5252·Motorhubraum
(Kubikzoll)), wobei 12 Zoll gleich einem Fuß, 2 Umdrehungen gleich einem Arbeitshub,
33.000 ft-il/Minute gleich einer Pferdestärke und das Drehmoment gleich
(33,00/2 (Pfund pro Zoll))·(Pferdestärken/Umdrehungen
pro Minute) sind.
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In SI-Einheiten ausgedrückt heißt dies,
daß folgende
Beziehung gilt:
IMEP [kPa] = 125,6·Drehmoment [Nm] geteilt durch Motorhubraum
[m3].
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Der Nutzen des IMEP-Parameter liegt
darin, daß er
für sämtliche
Motorhubräume
allgemein gültig ist;
er erlaubt die Verwendung der Algorithmustechnologie der On- Board-Diagnose in
einer neuartigen Motorsteuerungs-Systemarchitektur; er hat physikalische
Bedeutung und ist meßbar,
und er hat minimale Auswirkung auf aktuelle Kalibrationsmethoden
und -technologien.
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Die Fehlzündungsüberwachung 108 analysiert
dann den IMEP-Parameter (oder den standardisierten IMEP_LOAD-Parameter,
wie später
beschrieben), um zu bestimmen, ob es zu Fehlzündungen kam, wie dies in Block 122 gezeigt
wird. Die Fehlzündungsüberwachung 108 analysiert
den IMEP-Parameter, um nach unerwarteten IMEP-Veränderungen oder
IMEP-Werten zu suchen, welche auf Fehlzündungen hinweisen. Die Fehlzündungsübervachung 108 analysiert
den IMEP-Parameter in einer ähnlichen
Weise wie typische Fehlzündungsüberwachungssysteme,
welche die Lastparameter für
Motoren überwachen,
die unter Last laufen.
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Der IMEP-Parameter entspricht dem
Motordrehmoment (entweder dem gemessenen oder dem gewünschten),
das über
verschiedene Motorgrößen in einen
standardisierten Parameter verwandelt wird. Vorzugsweise wird der
IMEP-Parameter selbst standardisiert, um den verschiedenen Werten
des IMEP-Parameters Rechnung zu tragen, die dieser bei verschiedenen
Motoren wie beispielsweise Sechs-Ventil-Motoren gegenüber Vier-Ventil-Motoren
annehmen kann. Um diese Veränderung
zu berücksichtigen,
wird der IMEP-Parameter durch einen Referenzparameter IMEP_MAX dividiert.
Der Referenzparameter IMEP_MAX ist der einzige Parameter für den Motor,
der überwacht
wird. Der Referenzparameter IMEP_MAX entspricht dabei dem Wert des IMEP-Parameters
auf Meereshöhe
für den
getesteten Motor und wird wie in Block 118 gezeigt festgelegt.
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Das Mittel 106 berechnet
dann einen standardisierten IMEP-Parameter (IMEP_LOAD) für den Motor 1,
wie dies in Block 120 gezeigt wird. Der standardisierte
IMEP-Parameter bewegt sich von 0 bis 1, wobei IMEP_LOAD = IMEP/
IMEP_MAX. Praktisch ist IMEP ein sich kontinuierlich ändernder
Parameter, der von dem gewünschten
Drehmoment oder dem gemessenen Drehmoment abhängt und sich zwischen 0 bis
250 Pfund pro Quadratzoll bzw. 175 kPa bewegt. IMEP_MAX ist die
Kalibrierungskonstante, welche den maximalen IMEP-Wert des Motors
auf Meereshöhe
wiedergibt (ca. 250 Pfund pro Quadratzoll bzw. 175 kPa).
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Zusammenfassend ist der IMEP-Parameter einem
standardisierten Drehmoment gleichzusetzen. Er ist auf verschiedene
Motortypen übertragbar
und ermöglicht
es, daß die
für Motorlast-basierte
Algorithmen vorhandenen Techniken zur Fehlzündungsüberwachung auch mit neuen Motordrehmoment-basierten
Algorithmen benutzt werden können.