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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem Brennraum, in den Kraftstoff für eine Verbrennung durch wenigstens eine erste Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung eingespritzt wird, Verbrennungsmerkmale erfasst werden, die von einer eingespritzten Kraftstoffmenge abhängen, und eine Wirkung der ersten Voreinspritzung aus den erfassten Verbrennungsmerkmalen ermittelt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein das Verfahren ausführendes Steuergerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Ein solches Verfahren ist aus der
DE 103 05 656 A1 bekannt. Nach dieser Schrift werden Signale einer mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Körperschallsensorik mit der Begründung als Verbrennungsmerkmale benutzt, dass zwischen einer Geräuschemission und einer Kraftstoffmenge einer Voreinspritzung ein einfacher Zusammenhang bestehe. Zur Ermittlung der eingespritzten Kraftstoffmenge wird das Signal der Körperschallsensorik jeweils in wenigstens einem ersten Kurbelwellenwinkelbereich (Messfenster), der der Voreinspritzung zugeordnet ist, sowie in wenigstens einem zweiten Kurbelwellenwinkelbereich, der einer Haupteinspritzung zugeordnet ist, erfasst und gefiltert.
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Ferner ist aus der
DE 10 2004 001 119 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt. Mittels eines Sensors wird der Brennraumdruck erfasst. Ausgehend von dem Brennraumdruck wird ein Summenbrennverlauf ermittelt. Durch Differenzbildung innerhalb des Summenbrennverlaufs werden Merkmale gewonnen, die unterschiedlichen Teileinspritzungen zugeordnet werden.
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Abhängig von den bei der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffmengen ergibt sich ein bestimmtes Muster von Verbrennungsmerkmalen, aus dem durch Vergleich mit Referenzmustern auf die Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen geschlossen werden kann, so dass die Voreinspritzung in einer geschlossenen Schleife korrigiert werden kann. In der
DE 103 05 656 A1 wird dieses Verfahren am Beispiel eines Einspritzmusters aus einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung vorgestellt. Es soll aber auch bei beliebigen Kombinationen von einer ersten Teileinspritzung und wenigstens einer zweiten Teileinspritzung einsetzbar sein, wobei die
DE 103 05 656 A1 an anderer Stelle Voreinspritzungen, Haupteinspritzungen und Nacheinspritzungen erwähnt.
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Über die
DE 103 05 656 A1 hinaus ist eine Nutzung von Körperschallsensoren zur Regelung bei Ottomotoren bereits seit Jahren in Serie, zum Beispiel zur Klopfregelung. Bei Dieselmotoren sind bisher nur Systeme mit Körperschall-Regelung auf dem Markt, die eine Voreinspritzung pro Verbrennung korrigieren.
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Um das Verbrennungsgeräusch zu verbessern wird von Fahrzeugherstellern zunehmend eine Realisierbarkeit von zwei Voreinspritzungen pro Verbrennung gefordert.
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Die Voreinspritzmengen werden dabei über Ansteuerdauern von elektrisch steuerbaren Injektoren eingestellt. Durch Toleranzen und Alterung (Drift) von Komponenten des Einspritzsystems weicht ein tatsächlicher Zusammenhang zwischen Einspritzmenge und Ansteuerdauer von einem Zusammenhang ab, der zum Beispiel in einem Injektor-Kennfeld abgelegt ist. Als Folge kann sich eine Verschlechterung der Emissionen (Abgas und Geräusch) ergeben. Dies gilt im Besonderen für Änderungen der Voreinspritzmengen.
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Zusätzlich zu einer Drift der Injektoren beeinflusst eine durch die Einspritzung ausgelöste Druckwelle die nachfolgenden Einspritzungen. Im Betrieb mit einer einzigen Voreinspritzung pro Verbrennung können diese Druckwellen mit Hilfe von festen, an einem Prüfstand ermittelten Korrekturwerten so gut korrigiert werden, dass sich fast keine störenden Auswirkungen auf die Haupteinspritzung ergeben.
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Bei Systemen mit zwei Voreinspritzungen pro Verbrennung ergeben sich jedoch aufgrund einer von der ersten Voreinspritzung ausgelösten Druckwelle im Kraftstoffsystem große Ungenauigkeiten bei der zweiten Voreinspritzung. Eine Korrektur dieser Ungenauigkeiten mit fest vorgegebenen Korrekturwerten ist nicht ausreichend genau genug, da der Effekt von vielen Einflussgrößen wie der Kraftstofftemperatur, dem Kraftstoffdruck und der Kraftstoffqualität abhängt, die mit akzeptablem Aufwand nicht berücksichtigt werden können.
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Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer verbesserten Korrektur der Ungenauigkeiten einer zweiten Voreinspritzung. Bei Versuchen mit dem aus der
DE 103 05 656 A1 bekannten Verfahren hat sich gezeigt, dass die Wirkungen mehrerer aufeinander folgender Voreinspritzungen im Körperschallsignal nicht klar voneinander trennbar ist. Dies liegt wohl daran, dass mehrere Voreinspritzungen häufig in einem sehr engen Winkelbereich verbrennen, so dass ihre Wirkung im Zylinderdruck und besonders im Körperschall nicht klar voneinander zu trennen ist.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und eines Steuergeräts, mit dem sich auch eine zweite Voreinspritzung mit verbesserter Genauigkeit im Betrieb des Verbrennungsmotors korrigieren lässt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Wirkung einer zweiten Voreinspritzung aus einem Vergleich von Verbrennungsmerkmalen ermittelt wird, die mit aktivierter und deaktivierter zweiter Voreinspritzung ermittelt wurden. Mit Blick auf ein Steuergerät der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
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Dabei werden unter ersten und zweiten Voreinspritzungen jeweils zeitlich getrennte Einspritzungen verstanden, die zu demselben Arbeitstakt gehören. Bei mehr als zwei Voreinspritzungen eines Einspritzmusters kann die erste Voreinspritzung auch die zweite oder dritte Voreinspritzung des Musters sein. Wesentlich ist nur, dass sie vor der zweiten Voreinspritzung liegt. Außerdem kann die zweite Voreinspritzung auch durch wenigstens eine weitere Voreinspritzung von der ersten Voreinspritzung getrennt sein. Wesentlich ist nur, dass sie nach der ersten Voreinspritzung liegt.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das Geräusch mehrerer Voreinspritzungen in erster Näherung als Superposition der einzelnen Verbrennungen behandelt werden kann. Der Vergleich liefert daher einen Unterschied, der einer Wirkung der zweiten Voreinspritzung zugeordnet werden kann. Dabei steigt die Wirkung jeweils mit einer ansteigenden eingespritzten Kraftstoffmenge an. Die Wirkung besteht insbesondere aus einer Wärmefreisetzung, einem Druckanstieg im Brennraum und einer Emission von Verbrennungsgeräuschen. Der Begriff der Wirkung wird im Folgenden auch als Synonym für die eingespritzte Kraftstoffmenge verwendet.
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Die Erfindung erlaubt damit eine zylinder- oder brennraum-individuelle Anpassung von Kraftstoffmengen, die mit zweiten Voreinspritzungen oder Summen von ersten und zweiten Voreinspritzungen eines wenigstens zwei Voreinspritzungen aufweisenden Einspritzmusters dosiert werden.
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Durch den Vergleich der Verbrennungsmerkmale mehrerer Voreinspritzungen mit Messungen bei Abschaltung einzelner Voreinspritzungen können sowohl die Kraftstoffmengen einzelner Voreinspritzungen als auch die gesamte Kraftstoffmenge mehrerer Voreinspritzungen korrigiert werden. Die Korrektur bezieht sich dabei sowohl auf eine Injektordrift (hydraulische Drift) als auch auf eine Korrektur von Einflüssen von Druckwellen.
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Das Verfahren bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Korrektur bereits vom Neuzustand an über die gesamte Laufzeit des Fahrzeuges zur Verfügung steht. Das Verfahren kompensiert daher sowohl Neuteiltoleranzen als auch Alterungsdriften. Durch eine entsprechend angepasste Häufigkeit der Korrektur können auch Einflüsse von Kraftstofftemperaturen korrigiert werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 ein technisches Umfeld der Erfindung;
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2 ein Einspritzmuster mit zwei Voreinspritzungen und einer Haupteinspritzung;
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3 Abbildungen solcher Einspritzmuster in einem Verlauf verarbeiteter Verbrennungsmerkmale über einem Winkelbereich;
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4 qualitativ eine Veränderung von Verbrennungsmerkmalen bei Änderungen einer Voreinspritzung; und
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5 eine Regelschleife zur Korrektur von Voreinspritzungen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Im Einzelnen zeigt die 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit wenigstens einem Brennraum 12, einem Injektor 14, einem Kraftstoffdruckspeicher 15, Verbrennungsmerkmalsensoren 16 und/oder 18, einem Kraftstoffdrucksensor 19, einer Winkelsensorik 20 an einem Bauteil 22, das sich synchron zu Arbeitsspielen des Verbrennungsmotors 10 dreht, einem Fahrerwunschgeber 21 und einem Steuergerät 24. Der Brennraum 12 wird von einem Kolben 26 beweglich abgedichtet, der über einen Kurbeltrieb 28 mit dem Bauteil 22 verbunden ist. Ein solches Bauteil 22 ist drehfest mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Es kann jedoch in einer anderen Ausgestaltung beispielsweise mit einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors 10 verbunden sein. Es versteht sich, dass reale Verbrennungsmotoren 10 noch weitere Komponenten, zum Beispiel Gaswechselventile und zugehörige Aktoren zur Steuerung eines Wechsel von Füllungen des Brennraums 12 aufweisen, die in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
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Wesentlich für ein Verständnis der Erfindung ist jedoch, dass das Steuergerät 24 Ansteuersignale in Form von Impulsbreiten für Voreinspritzungen VE1, VE2, eine Haupteinspritzung HE und gegebenenfalls weitere Teileinspritzungen eines Einspritzmusters ausgibt, mit dem Kraftstoff für eine Verbrennung im Brennraum 12 zugemessen wird. Bei dem Verbrennungsmerkmalsensor 16 handelt es sich um einen Brennraumdrucksensor, während es sich bei dem alternativ oder ergänzend vorhandenen Verbrennungsmerkmalsensor 18 um einen Körperschallsensor handelt. Beide Sensoren 16, 18 liefern jeweils Basiswerte oder Roh-Werte VM_B von Verbrennungsmerkmalen an das Steuergerät 24.
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Die Winkelsensorik 20 liefert in der Ausgestaltung der 1 eine Kurbelwellen-Winkelinformation °KW als Information über die Position des Kolbens 26 in seinem Arbeitsspiel. Es versteht sich, dass diese Information nicht nur aus der Kurbelwellen-Winkelinformation, sondern beispielsweise auch aus einer Nockenwellen-Winkelinformation abgeleitet werden kann. Aus dem Winkelsignal kann noch eine Information über die Drehzahl n des Verbrennungsmotors abgeleitet werden. Der Fahrerwunsch FW stellt ein Maß für eine Drehmomentanforderung durch den Fahrer dar und wird zum Beispiel als Fahrpedalstellung erfasst.
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2 veranschaulicht ein typisches Einspritzmuster 30, wie es im Umfeld der 1 in vorbestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 10 verwendet wird. Dabei ist in der 2 ein Ansteuersignal AS für den Injektor 14 aus der 1 über dem Kurbelwellenwinkel °KW aufgetragen. Bei niedrigen Werten des Ansteuersignals ist der Injektor 14 geschlossen, während er durch die Impulse VE1, VE2 und HE zur Einspritzung von Kraftstoff geöffnet wird. Die Impulse VE1 und VE2 entsprechen den genannten Voreinspritzungen und der Impuls HE entspricht der genannten Haupteinspritzung. Der Wert von 180°KW entspricht dem oberen Totpunkt OT der Bewegung des Kolbens 26 zwischen dem Verdichtungstakt und dem Arbeitstakt. Der Beginn der Haupteinspritzung HE liegt bei Personenkraftwagen bis zu 15° vor OT. Die Voreinspritzungen liegen ebenfalls in einem engen Winkelbereich vor OT. Durch die noch im Verdichtungstakt erfolgenden Voreinspritzungen wird das im Brennraum 12 zum Zeitpunkt der Haupteinspritzung herrschende Druck- und Temperaturniveau erhöht, was den sogenannten Zündverzug, also die Zeitspanne zwischen dem Beginn der Haupteinspritzung und dem Beginn der Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs, verkürzt. Dadurch sinken insbesondere die mit dem Körperschallsensor 18 aufgenommenen Verbrennungsgeräusche.
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3 veranschaulicht, wie sich Wirkungen solcher Einspritzmuster in einem Verlauf verarbeiteter Verbrennungsmerkmale VM_V über einem Kurbelwellenwinkel-Bereich abbilden. Dabei gehen die verarbeiteten Verbrennungsmerkmale VM_V aus den Basiswerten VM_B durch Filterungen hervor, wie sie in der eingangs genannten
DE 103 05 656 A1 breit beschrieben sind.
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Die Verläufe 32 und 34 der verarbeiteten Verbrennungsmerkmale VM_V ergeben sich für Einspritzmuster 30 mit unterschiedlicher Verteilung einer gesamten einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf die drei Teileinspritzungen VE1, VE2 und HE. Dabei ist jeweils die mit der ersten Voreinspritzung VE1 eingespritzte Kraftstoffmenge konstant gehalten worden, während die mit der zweiten Voreinspritzung VE2 und der Haupteinspritzung HE eingespritzten Kraftstoffmengen M_VE2 und M_HE komplementär zueinander variiert wurden.
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Im Fall des Verlaufs 32 ist die mit der zweiten Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge M_VE2 klein. Man sieht im Wesentlichen nur das Verbrennungsmerkmal von VE1 und ein vergleichsweise großes Verbrennungsmerkmal der Haupteinspritzung HE. Die Größe des Verbrennungsmerkmals von HE zeigt ein vergleichsweise großes Verbrennungsgeräusch und/oder einen steilen Druckanstieg im Brennraum 12 als Wirkung der HE an. Beides ergibt sich als Folge einer vergleichsweise schlechten Vorkonditionierung der Verbrennung durch eine kleine oder fehlende Menge M_VE2.
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Im Fall des Verlaufs 34 ist M_VE2 dagegen größer, was zu einer besseren Vorkonditionierung und damit zu einem niedrigeren Verbrennungsgeräusch der Menge V_HE führt. Die größere Voreinspritzmenge M_VE2 bildet sich außerdem in einem größeren Verbrennungsmerkmal der Voreinspritzungen ab. Allerdings ist ebenfalls ersichtlich, dass sich die erste und die zweite Voreinspritzung in dem Verlauf des Verbrennungsmerkmals 34 nicht auflösen lassen, also nicht voneinander trennen lassen.
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4 zeigt qualitativ einen Verlauf 36 eines weiter verarbeiteten Verbrennungsmerkmals VM_VE12 über einer Ansteuerdauer AD des Einspritzventils 14 für die zweite Voreinspritzung VE2 in Mikrosekunden bei konstanter erster Voreinspritzung VE1.
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Bei der Ausgestaltung, die mit einem Körperschallsensor 18 arbeitet, ergibt sich das Verbrennungsmerkmal VM_VE12 dabei qualitativ als Quotient von zwei Flächen aus der 3, wobei im Zähler die Fläche unter dem Peak der Voreinspritzungen und im Nenner die Fläche unter dem Peak der Haupteinspritzung steht.
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Mit anderen Worten: VM_VE12 stellt insofern ein auf die Fläche unter dem Peak der Haupteinspritzung als Referenz-Verbrennungsmerkmal normiertes Maß für die Summe der beiden Voreinspritzungen VE1 und VE2 dar. Analog ergibt sich ein Verbrennungsmerkmal VM_VE1 als normierte Größe für den Fall einer deaktivierten zweiten Voreinspritzung VE2. Der steigende Verlauf von VM_VE12 in der 4 spiegelt den Anstieg des Peaks der Voreinspritzungen bei abnehmendem Peak der Haupteinspritzung wider.
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Bei der Ausgestaltung, die mit Brennraumdrucksensoren 16 arbeitet, entspricht das Verbrennungsmerkmal VM_VE12 einer durch die Summe beider Voreinspritzungen freigesetzten Wärmemenge. Diese Wärmemenge lässt sich allein aus dem Brennraumdrucksignal für die beiden Voreinspritzungen bestimmen. Dabei ist, im Gegensatz zur Auswertung von Körperschallsignalen, keine Normierung auf ein Referenz-Verbrennungsmerkmal erforderlich. 5 zeigt eine Regelschleife zur Korrektur von Voreinspritzungen VE1, VE2 die den Verbrennungsmotor 10, wenigstens einen Verbrennungsmerkmalsensor 16 und/oder 18, und das Steuergerät 24 aufweist. Das Steuergerät 24 weist unter anderem einen Basiswertgeber 38 auf, der Basiswerte ADVE (Ansteuerdauer Voreinspritzung) für Ansteuerdauern für Voreinspritzungen VE1, VE2 als Funktion von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 bereitstellt. Der Basiswertgeber 38 ist zum Beispiel ein Kennfeld, das über Werte von Drehzahl n, Fahrerwunsch FW und gegebenenfalls weiteren Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10, wie dem Kraftstoffdruck p, adressiert wird. Der Basiswert ADVE wird in einer Verknüpfung 40 mit einem Korrekturwert d_AD verknüpft, wobei die Verknüpfung, je nach Erzeugung von d_AD, multiplikativ oder additiv sein kann.
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Mit dem Ergebnis AD_VE_korr = AS der Verknüpfung wird der Injektor 14 angesteuert, was zum Beispiel zu der ersten Voreinspritzung VE1 oder der zweiten Voreinspritzung VE2 führt. Die aus der Verbrennung resultierenden Verbrennungsmerkmale werden durch den Verbrennungsmerkmalsensor 16 und/oder 18 als Basiswerte VM_B erfasst und an einen Block 42 des Steuergeräts 24 übergeben, der eine Signalaufbereitung und Filterung repräsentiert. Die Erfassung der Basiswerte VM_B von Verbrennungsmerkmalen findet dabei in definierten Teilbereichen eines Arbeitsspiels des Verbrennungsmotors 10 statt, die zum Beispiel über bestimmte Kurbelwellenwinkelbereiche definiert sein können. Die Teilbereiche werden dabei bevorzugt so gewählt, dass ein erster Teilbereich den Peak der Voreinspritzungen enthält und ein weiterer Teilbereich den Peak der Hauteinspritzung enthält.
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Im Block 42 werden die Basiswerte durch Filterungen, Betragsbildungen und gegebenenfalls durch eine über mehrere Arbeitsspiele erfolgende Mittelung und die oben genannte Normierung zu den verarbeiteten Verbrennungsmerkmalen VM_V und weiter zu den weiter verarbeiteten Verbrennungsmerkmalen VM_VE1, VM_VE12 umgeformt. Bei der Umformung werden die verarbeiteten Verbrennungsmerkmale VM_V insbesondere auf Referenz-Verbrennungsmerkmale normiert, wobei das Referenz-Verbrennungsmerkmal alternativ aus einem Druck- oder Geräusch-Verlauf der Haupteinspritzung HE oder einem Hintergrund-Druck- oder Hintergrund-Geräusch-Verlauf abgeleitet werden kann.
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Je nachdem, ob der Verbrennungsmotors 10 mit aktivierter oder deaktivierter zweiter Voreinspritzung VE2 betrieben wird, liefert der Block 42 Istwerte VM_VE1_ist (VE2 deaktiviert) oder VM_VE12_ist (VE2 aktiviert). Aus diesen Istwerten wird im Block 44 rechnerisch ein Istwert VM_VE2_ist als Differenz der Istwerte VM_VE1_ist und VM_VE12_ist ermittelt: VM_VE2_ist = VM_VE12_ist – VM_VE1_ist
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Durch dieses Verfahren wird also eine Wirkung einer zweiten Voreinspritzung VE2 aus einer Differenz der Verbrennungsmerkmale VM_VE12_ist, VM_VE1_ist ermittelt, die mit aktivierter und deaktivierter zweiter Voreinspritzung ermittelt wurden.
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Anschließend wird, ebenfalls im Block 44, ein Sollwert für die zweite Voreinspritzung VE2 aus einem Sollwert für die Summe aus erster und zweiter Voreinspritzung und erster Voreinspritzung gebildet. VM_VE2_soll = VM_VE12_soll – VM_VE1_soll
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Das Verbrennungsmerkmal VM_VE2_soll entspricht dann, bis auf einen Normierungsfaktor, der Differenzfläche zwischen den Peaks der Voreinspritzungen der Verläufe 32 und 34 in der 3.
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Ausgehend von den bestimmten Werten VM_VE2_soll und VM_VE2_ist wird eine Differenz dieser Werte als Regelabweichung d_VM_VE2 gebildet, die als Eingangsgröße für einen Regler 46 dient. Der Regler 46 gibt als Stellgröße den bereits erwähnten Korrekturwert d_AD aus, mit dem der vom Basiswertgeber 38 bereitgestellte Basiswert für die zweite Voreinspritzung VE2 korrigiert wird. Dadurch wird die mit der zweiten Voreinspritzung dosierte Kraftstoffmenge in einer geschlossenen Schleife auf einen Sollwert eingestellt.
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Dieser Regeleingriff auf die zweite Voreinspritzung basiert damit auf einem Vergleich von Verbrennungsmerkmalen, die mit aktivierter und deaktivierter zweiter Voreinspritzung ermittelt wurden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Verfahren erst durchgeführt, wenn der Istwert VM_VE1_ist auf den Sollwert VM_VE1_soll abgeglichen ist worden ist. Dieser Abgleich erfolgt ebenfalls in der Regelschleife der 5. Dazu wird ein Korrekturwert für die erste Voreinspritzung bei deaktivierter zweiter Voreinspritzung ermittelt, indem ein Istwert mit einem Sollwert verglichen wird und indem aus dem Vergleich eine Regelabweichung und daraus eine Stellgröße als Korrekturwert gebildet wird. Dieser Korrekturwert wird dann mit einem Basiswert für die erste Voreinspritzung verknüpft. Bevorzugt ist auch, dass dieser Korrekturwert zusätzlich zur Korrektur eines Basiswerts für die zweite Voreinspritzung verwendet wird. Es dient dann gewissermaßen als Startwert für den weiter beschriebenen Regeleingriff auf die zweite Voreinspritzung. Dadurch wird das Einschwingen der Regelung beschleunigt.
