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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem der
in einem Brennraum eines Zylinders jeweils herrschende Gasdruck
(zylinderindividueller Gasdruck) ermittelt oder erfasst wird. Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium,
eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine,
sowie eine Brennkraftmaschine.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 102 40 492 A1 bekannt.
Dort werden eine Mengenausgleichsregelung und eine Laufruheregelung
beschrieben, die u.a. die Signale von Drucksensoren verwenden, welche
den in den Brennräumen der
einzelnen Zylinder herrschenden Gasdruck erfassen. Hintergrund für diese
Maßnahme
ist, dass bei Mengenfehlern bei der Kraftstoffzumessung eine unerwünschte Drehungleichförmigkeit
auftreten kann. Mittels einer Mengenausgleichsregelung bzw. einer Laufruheregelung
lassen sich im Betrieb bspw. eines Dieselmotors auftretende Einspritzmengenfehler,
die zu Momentenunterschieden und damit zu ungleichförmigen Motordrehzahlen
führen,
ausregeln und der bei Dieselbrennkraftmaschinen bekanntermaßen kritische
Komfort im unteren Drehzahlbereich wesentlich verbessern. Ein Drucksensor
zur Erfassung des zylinderindividuellen Gasdrucks ist aus der
De 197 49 814 A1 bekannt.
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Bei
modernen Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend höhere Anforderungen an
die Abgaskennwerte gestellt. Ferner werden vermehrt neue Brennverfahren,
wie bspw, eine homogene Dieselverbrennung, angedacht. Um die damit
verbundenen Anforderungen erfüllen
zu können,
sollen Regelungen und/oder Steuerungen verwendet werden, welche
zylinderindividuell arbeiten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, dass das in einem Brennraum vorhandene Gemisch
möglichst
exakt eingestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass anhand des zylinderindividuellen Gasdrucks eine zylinderindividuelle
Gasmasse ermittelt wird. Bei einem Computerprogramm, einem elektrischen
Speichermedium, einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, und einer
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird die gestellte
Aufgabe entsprechend gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gestattet es, die in einem Zylinder individuell vorhandene Gasmasse,
auch "Zylinderfüllung" genannt, als für die Regelung
und/oder Steuerung der Brennkraftmaschine verwendbare Größe bereitzustellen.
Ist jedoch die tatsächliche
zylinderindividuelle Gasmasse bekannt, kann das Gemisch für jeden
Zylinder individuell mit hoher Präzision eingestellt werden.
Dies ermöglicht eine
Verbesserung des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine ebenso
wie die Realisierung spezifischer Brennverfahren, durch die letztlich
bspw. der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert werden
kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird
vorgeschlagen, dass bei einer Brennkraftmaschine mit mehrere Zylindern
eine erste Vergleichsgröße aus den
zylinderindividuellen Gasmassen gebildet und mit einer unabhängig von
der zylinderindividuellen Gasmasse ermittelten zweiten Vergleichsgröße verglichen
wird. Bei einer solchen Vergleichsgröße kann es sich bspw. um einen
Luftmassenstrom handeln, der aus den zylinderindividuellen Gasmassen
mittels der Drehzahl der Brennkraftmaschine gebildet wird. Durch
den erfindungsgemäß vorgesehenen
Vergleich kann entweder die Genauigkeit bei der Ermittlung der zylinderindividuellen
Gasmassen erhöht
werden, oder es kann die Genauigkeit der zweiten Vergleichsgröße erhöht werden.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die zweite Vergleichsgröße aus dem
Signal eines Luftmassensensors ermittelt wird. Ein solcher ist bei
allen üblichen
Brennkraftmaschinen vorhanden und gestattet die Bereitstellung einer
zur ersten Vergleichsgröße redundanten
und sehr präzisen
zweiten Vergleichsgröße. Dabei
kann die Präzision
noch dadurch erhöht
werden, dass das Signal des Luftmassensensors dynamisch korrigiert
wird. Hierzu gehört bspw.,
dass Speichereffekte eines ggf. vorhandenen Ladeluftkühlers und
des Ansaugrohrs berücksichtigt werden.
Es versteht sich, dass das Signal des Luftmassensensors nur dann
zur Bildung der zweiten Vergleichsgröße verwendet werden kann, wenn
eine ggf. vorhandene Abgasrückführung geschlossen
ist.
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Abhängig von
dem Vergleich kann ein Modell, mit dem eine Betriebs- oder Einflussgröße der Brennkraftmaschine
ermittelt wird, oder die Betriebs- oder Einflussgröße direkt
korrigiert werden. Eine solche Betriebs- oder Einflussgröße kann
bspw. eine modellierte Gastemperatur innerhalb des Brennraums eines
Zylinders sein. Dies erhöht
die Präzision bei
der Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine.
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Eine
Konkretisierung einer solchen Korrektur kann bspw. darin bestehen,
dass die Differenz zwischen dem ersten Vergleichswert und dem zweiten Vergleichswert
in einen PI-Regler
eingespeist wird, welcher ein Modell zur Ermittlung der Betriebs-
oder Einflussgröße (Beobachterstruktur)
oder die Betriebs- oder Einflussgröße direkt korrigiert. Eine
solche Korrektur kann softwaretechnisch einfach realisiert werden.
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Besonders
bevorzugt ist ferner, wenn die Temperatur der Ansaugluft mittels
eines Sensors erfasst wird, wenn aus der erfassten Temperatur die Temperatur
der zylinderindividuellen Gasmasse mindestens für einen Zeitpunkt ermittelt
wird, zu dem ein Einlassventil des Zylinders schließt (zylinderindividuelle
Temperatur) und wenn die zylinderindividuelle Temperatur zusammen
mit dem zylinderindividuellen Druck zur Berechnung der zylinderindividuellen
Gasmasse verwendet wird. Ein solcher Sensor zur Messung der Ansauglufttemperatur
ist bei vielen Brennkraftmaschinen ohnehin vorhanden, so dass hierdurch keine
zusätzlichen
Kosten entstehen. Mittels geeigneter Modelle kann auf einfache Art
und Weise aus dieser Temperatur die Temperatur der im Brennraum
eines Zylinders vorhandenen Luftmasse für einen Zeitpunkt unmittelbar
vor Beginn der Kompression bestimmt werden. Anhand der allgemein
bekannten Gleichung für
ideale Gase kann nun auf einfache Art und Weise die zylinderindividuelle
Gasmasse berechnet werden.
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Dabei
wird die Präzision
bei der Ermittlung der zylinderindividuellen Gasmasse dadurch erhöht, dass
bei der Ermittlung der zylinderindividuellen Temperatur ein Wärmeaustausch
zwischen dem Gas und einer Wand der Brennkraftmaschine berücksichtigt
wird. Hierzu gehört
bspw. ein Wärmeaustausch noch
im Einlasskanal, zwischen der Wand des Einlasskanals und dem einströmenden Gas,
ebenso wie zwischen einem Einlassventil und dem einströmenden Gas.
Für die
Abschätzung
dieser Wärmeübergänge kann
die ebenfalls üblicherweise
bekannte Zylinderkopftemperatur oder die Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine
verwendet werden.
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Die
Präzision
bei der Ermittlung der zylinderindividuellen Gasmasse wird ferner
dadurch erhöht, dass
bei der Ermittlung der zylinderindividuellen Temperatur ein in dem
Brennraum des Zylinders vorhandenes Restgas berücksichtigt wird. Ein solches Restgas
kann bei einer internen Abgasrückführung im
Zylinder vorhanden sein und durch eine entsprechende Mischung mit
der einströmenden
Frischluft zu einer ganz bestimmten Temperatur der im Brennraum
des Zylinders vorhandenen Gasmasse führen.
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Besonders
vorteilhaft ist es ferner, wenn die zylinderindividuelle Gasmasse
mehrmals während der
Kompressionsphase des Zylinders ermittelt und hieraus ein Mittelwert
gebildet wird. Dies erhöht ebenfalls
die Genauigkeit bei der Ermittlung der zylinderindividuellen Gasmasse.
Dabei ist jedoch zu beachten, dass bei zunehmender Kompression der
Einfluss des Wärmeaustauschs
zwischen dem im Brennraum eingeschlossenen Gas und den Brennraumwänden größer wird.
Dies kann durch ein geeignetes Modell berücksichtigt werden.
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Dabei
ist die Ermittlung der Gasmasse dann besonders einfach, wenn der
Berechnung die folgenden Randbedingungen zugrundegelegt werden:
(a) der Brennraum ist nach dem Schließen des Einspritzventils bzw.
der Einspritzventile ein geschlossenes System, Undichtigkeiten eines
Einlassventils und/oder eines Auslassventils und/oder einer Kolbendichtung
werden vernachlässigt;
(b) es erfolgt keine Einspritzung von Kraftstoff; und (c) es erfolgt keine
Verbrennung in dem betrachteten Brennraum. Diese Randbedingungen
beschränken
den Bereich für
die analytische Berechnung der im Zylinder vorhandenen Gasmasse
auf die Kompressionsphase zwischen dem Zeitpunkt des Schließens des
Einlassventils bzw. der Einlassventile und dem Beginn der Verbrennung.
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Wenn
auf die Berücksichtigung
des Wärmeaustauschs
zwischen dem im Brennraum eingeschlossenen Gas und den Brennraumwänden verzichtet
werden soll, um bspw. Rechenzeit zu sparen, ist es vorteilhaft,
wenn die zylinderindividuelle Gasmasse nur ungefähr zwischen dem Zeitpunkt des Schließens des
Einlassventils und einem Kurbelwinkel von 50° vor UT ermittelt wird. In diesem
Betriebsbereich ist der Druck noch so gering, dass die Vernachlässigung
des Wärmeaustauschs
das Ergebnis nicht allzu sehr verfälscht.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, dass aus der zylinderindividuellen Gasmasse
ein zylinderindividueller Lambdawert berechnet wird, der mit einem
mittels einer Lambdasonde erfassten zylinderindividuellen und/oder über die
Zylinder gemittelten Lambdawert vermittelt wird. Dabei versteht
sich, dass nicht nur der Lambdawert sondern auch eine andere äquivalente
Größe verwendet werden
kann. Durch einen solchen Vergleich kann entweder ein Modell zur
Ermittlung einer Betriebs- oder Einflussgröße (Beobachterstruktur) oder
direkt die Betriebs- oder Einflussgröße korrigiert werden. Letztlich
kann hierdurch ebenfalls die Präzision
bei der Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine verbessert
werden.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1; und
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3 ein
Flussdiagramm eines anderen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1;
und
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
umfasst insgesamt vier Zylinder 12a bis 12d, mit
jeweils einem Brennraum 14a bis 14d. Verbrennungsluft
gelangt in einen Brennraum 14a bis 14d über ein
Einlassventil 16a bis 16d, an welches ein Ansaugkrümmer (ohne Bezugszeichen)
angeschlossen ist, der in ein Ansaugrohr 18 mündet. In
diesem ist eine Drosselklappe 20 angeordnet, mit der der
in die Brennräume 14a bis 14d gelangende
Luftstrom eingestellt werden kann.
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Aus
den Brennräumen 14a bis 14d werden die
Verbrennungsabgase über
Auslassventile 22a bis 22d in Abgaskrümmer (ohne
Bezugszeichen) und schließlich
in ein Abgasrohr 24 abgeführt. In diesem ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 angeordnet,
bspw. ein Partikelfilter oder ein Oxidationskatalysator. Kraftstoff
gelangt in die Brennräume 14a bis 14d jeweils über eine
Einspritzdüse 28a bis 28d, die
den Kraftstoff direkt in den jeweiligen Brennraum 14a bis 14d einspritzt.
Die Einspritzdüsen 28a bis 28d sind
an ein Kraftstoffsystem 30 angeschlossen.
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Der
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 32 gesteuert bzw. geregelt. Angesteuert
werden u.a. die Drosselklappe 20 sowie die Einspritzdüsen 28a bis 28d.
Die Steuer- und Regeleinrichtung 32 erhält hierzu Signale von verschiedenen
Sensoren. Zu diesen gehört
ein Luftmassensensor 34 (HFM-Sensor), welcher den Massenstrom der
durch das Ansaugrohr 18 strömenden Luftmasse erfasst, sowie
ein Temperatursensor 36, welcher die Temperatur der im
Ansaugrohr 18 strömenden
Ansaugluft erfasst. Ein weiterer Temperatursensor 38 erfasst
die Zylinderkopftemperatur der Brennkraftmaschine 10, und
ein Drehzahlsensor 40 erfasst die Drehzahl einer in 1 nicht
gezeigten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10. Jedem Brennraum 14a bis 14d ist
ferner ein eigener Drucksensor 42a bis 42d zugeordnet,
welcher den im jeweiligen Brennraum 14a bis 14d herrschenden
Gasdruck erfasst. Eine Lambdasonde 44, die im Abgasrohr 24 angeordnet
ist, gestattet die Bestimmung des Lambdawerts, also der Zusammensetzung
des Kraftstoff-Luftgemisches.
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In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
wird zur Leistungssteuerung keine Drosselklappe benutzt, sondern
es werden statt dessen unterschiedliche Kraftstoffmengen eingespritzt.
Dies gilt insbesondere für
eine Ausführungsform
der Brennkraftmaschine als Dieselmotor. Bei einem solchen wird eine
Abgasrückführrate mittelbar über die Frischluftmasse
geregelt. Zur Regelung der Abgasrückführung wird primär ein Abgasrückführventil
verwendet. In bestimmten Betriebsmodi, beispielsweise für eine Regeneration
eines NOx-Katalysators, kann die Abgasrückführrate auch erhöht werden,
indem mittels Drosselklappe angedrosselt wird. Die Brennkraftmaschine
könnte
ferner auch über
einen Turbolader verfügen.
In diesem Fall wäre
die Lambdasonde stromabwärts
von der Turbine des Turboladers angeordnet.
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In 2 ist
ein erstes Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 von 1 schematisch
dargestellt. Zunächst
wird in einem Block 46 die Temperatur TES_i (i
von a bis d) der in einem Brennraum 14a bis 14d vorhandenen
Gasmasse ermittelt, und zwar für
jenen Zeitpunkt, zu dem das jeweilige Einlassventil 16a bis 16d schließt. Hierzu
wird in den Block 46 die vom Temperatursensor 36 bereitgestellte
Temperatur tans der Ansaugluft und über den
Temperatursensor 38 die Temperatur tmot des
Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine 10 eingespeist. Im Block 46 wird
die besagte Temperatur TES_i anhand eines
geeigneten Modells berechnet, welches den Wärmeaustausch zwischen der Ansaugluft
und einerseits dem Ansaugrohr 18 sowie andererseits den Einlassventilen 16a bis 16d berücksichtigt,
und welches auch die Temperatur von eventuell im Brennraum 14a bis 14d vorhandenem
Restgas berücksichtigt.
Gegebenenfalls können
auch noch die Signale weiterer Sensoren bei der Modellierung der
Temperatur TES_i (i von a bis b) berücksichtigt
werden.
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Die
Temperaturen TES_i werden dann in einen Block 48 eingespeist.
Dieser erhält
auch die aktuellen Druckwerte pa bis pd von den Drucksensoren 42a bis 42d.
Unter der Annahme, dass der Brennraum 14a bis 14d ein
geschlossenes System bildet und weder Kraftstoff eingespritzt wird
noch eine Verbrennung stattfindet, kann im Block 48 unter
Zugrundelegung des idealen Gasgesetzes aus der Temperatur TES_i und dem zylinderindividuellen Gasdruck
pi (i von a bis d) die im jeweiligen Brennraum 14a bis 14d eingeschlossene
Gasmasse mL_i (i von a bis d) berechnet werden.
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Diese
Berechnung wird dabei nicht nur zu jenem Zeitpunkt durchgeführt, zu
dem das Einlassventil 16a bis 16d des gerade betrachteten
Brennraums 14a bis 14d schließt, sondern weiterhin und wiederholt
während
der Kompressionsphase des jeweiligen Zylinders 12a bis 12d bis
zu jenem Zeitpunkt, zu dem von der entsprechenden Einspritzdüse 28a bis 28d Kraftstoff
in den Brennraum 14a bis d eingespritzt wird. Die bei der
mehrmaligen Berechnung erhaltenen Werte mL_i für die eingeschlossene
Gasmasse werden für
jeden Brennraum 14a bis d jeweils gemittelt.
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Zur
Erhöhung
der Genauigkeit wird dabei auch die für die Berechnung verwendete
Temperatur angepasst, in dem ausgehend von der Temperatur TES_i unter Berücksichtigung der Kompression
der eingeschlossenen Gasmenge und des bei zunehmendem Druck stärkeren Wärmeaustauschs
zwischen dem eingeschlossenen Gas und den Wänden des jeweiligen Brennraums 14a bis
d die jeweils aktuelle Temperatur des eingeschlossenen und komprimierten
Gases berechnet wird.
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In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
wird hierzu ein vergleichsweise einfaches Modell verwendet, bei
dem der zunehmende Wärmeaustausch
zwischen dem eingeschlossenen Gas und den einem Brennraum 14a bis 14d begrenzenden Wänden nicht
berücksichtigt
wird. Um dennoch gute Ergebnisse zu erhalten, wird die Berechnung
der eingeschlossenen Gasmasse mL_i auf einen
Betriebsbereich des jeweiligen Zylinders 12a bis 12d begrenzt, der
vom Zeitpunkt des Schließens
des entsprechenden Einlassventils 16a bis 16d bis
zu einem Kurbelwinkel von ungefähr
50° vor
dem oberen Totpunkt (v.OT.) des Kolbens des entsprechenden Zylinders 12a bis 12d reicht.
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Die
berechneten Luftmassen mL_i (i von a bis d)
werden zum einen in einem Block 50 und zum anderen in einen
Block 52 eingespeist. Im Block 50 wird die jeweilige
Differenz zu einer Soll-Luftmasse mL_soll berechnet,
die dann in einem Block 54 für entsprechende Korrekturen
verwendet wird. In den Block 52 werden auch die in den
jeweiligen Brennraum 14a bis 14d von den entsprechenden
Einspritzdüsen 28a bis 28d eingespritzten
bzw. einzuspritzenden Kraftstoffmassen mK_i (i
von a bis d) eingespeist. Unter Berücksichtigung des bekannten
stöchiometrischen
Koeffizienten kann aus den Kraftstoffmassen mK_i und
den Luftmassen mL_i der zylinderindividuelle
Lambdawert λi (i von a bis d) ermittelt werden. Diese
zylinderindividuellen Lambdawerte λi können dann
in einem Vergleichsblock 56 mit dem von der Lambdasonde 44 erfassten
Lambdawert λ44 verglichen werden.
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Ein
weiteres Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1 zeigt 3.
Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente
Funktionen zu Elementen und Bereichen aufweisen, die bereits im
Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben
worden sind, die gleichen Bezugszeichen. Auf sie wird nicht nochmals
im Detail eingegangen.
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Bei
dem in 3 gezeigten Verfahren werden die zylinderindividuellen
Gasmassen mL_i im Block 58 gemittelt,
und aus dem Mittelwert wird anhand der Drehzahl n der Kurbelwelle,
die vom Drehzahlsensor 40 bereitgestellt wird, ein Luftmassenstrom
dm/dt berechnet. Wie weiter unten ersichtlich werden wird, handelt
es sich bei dem Luftmassenstrom dm/dt um eine erste Vergleichsgröße. Gleichzeitig
wird anhand des Signals des HFM-Sensors 34 im Block 60 anhand
eines physikalischen Modells des Ansaugrohrs 18, des Ansaugkrümmers, etc. ebenfalls
ein Luftmassenstrom (dm/dt)34 berechnet. Bei
diesem Luftmassenstrom handelt es sich um eine zweite Vergleichsgröße. Dabei
erfolgt in 60 auch eine dynamische Korrektur des Signals
des HFM-Sensors 34, um bspw. Speichereffekte des Ansaugrohrs 18 zu berücksichtigen.
In 62 wird nun die Differenz zwischen den beiden Vergleichsgrößen dm/dt
und (dm/dt)34 gebildet und in einen PI-Regler 64 eingespeist.
Durch diesen wird das Berechnungsmodell im Block 46, anhand
dessen die Temperatur TES_i berechnet wird,
im Sinne einer Beobachterstruktur korrigiert.