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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zur Steuerung
eines Dieselmotors nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Ein
solches Verfahren wird von in Serie produzierten Steuergeräten der
Anmelderin ausgeführt und
ist auch als Mengenmittelwertadaption bekannt. Die bekannte Mengenmittelwertadaption
ist nur im unteren Teillastbereich aktiv und ermittelt eine über alle
Brennräume
des Dieselmotors gemittelte Abweichung einer tatsächlich dosierten
Kraftstoffmasse von einem Sollwert der Kraftstoffmasse. Dazu wird die
Sauerstoffkonzentration im Abgas des Dieselmotors mit einem Lambdasensor
und die in den Dieselmotor strömende
Luftmasse mit einem Luftmassenmesser erfasst. Aus den erfassten
Werten wird die tatsächlich
dosierte Kraftstoffmasse berechnet und mit einem im Steuergerät gebildeten
Sollwert verglichen. Abweichungen zwischen beiden Massen werden
mit einem Tiefpass gefiltert. Aus den Ergebnissen der Tiefpassfilterung
werden Korrekturwerte gebildet, die in einem Adaptionskennfeld für definierte Betriebspunkte
gespeichert werden. In der Folge wird ein für diesen Betriebspunkt gebildeter
Sollwert der Kraftstoffmasse additiv mit dem gelernten Korrekturwert
verknüpft.
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Bei
bekannten Systemen dient die Kraftstoffmasse als Steuergröße. Mit
der korrigierten Kraftstoffmasse als korrigierter Steuergröße wird
bei dem bekannten System wenigstens ein abgasrelevanter Betriebsparameter
des Dieselmotors eingestellt. Beispiele abgasrelevanter Betriebsparameter
sind in diesem Zusammenhang insbesondere der Luftanteil einer Brennraumfüllung und
der Spritzbeginn, also der Beginn einer Einspritzung von Kraftstoff
in einen Brennraum des Dieselmotors. Dabei stellt der genannte Luftanteil
den wichtigsten abgasrelevanten Betriebsparameter dar. Er wird eingestellt,
indem eine Abgasrückführrate als
Funktion der Drehzahl des Dieselmotors und der korrigieren Kraftstoffmasse als
korrigierter Steuergröße verändert wird.
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Die
korrigierte Kraftstoffmasse wird dabei nur innerhalb des Steuergerätes zur
Adressierung eines oder mehrerer Kennfelder für abgasrelevante Betriebsparameter
verwendet. Die Berechnung eines Ansteuersignals für die eigentliche
Kraftstoffzumessung, also zum Beispiel die Berechnung einer Einspritzimpulsbreite
für einen
Injektor, erfolgt dagegen weiter mit der unkorrigierten Kraftstoffmasse.
Im Gegensatz zu einem direkten Eingriff auf Ansteuersignale für die Kraftstoffzumessung
werden die Eingriffe auf die genannten abgasrelevanten Betriebsparameter
auch als indirekte Eingriffe bezeichnet.
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Zusätzlich zu
der im unteren Teillastbereich verwendeten Mengenmittelwertadaption
erfolgt bei dem bekannten System im Volllastbereich eine Begrenzung
der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf einen variablen Maximalwert,
um den Dieselmotor nicht zu überlasten
und/oder eine Rauchentwicklung zu begrenzen.
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Für die Begrenzung
im Volllastbereich wird aus gemessenen Werten der Luftmasse und
der Drehzahl ein Lambda-Grenzwert Lambda_grenz bestimmt. Aus diesem
Grenzwert und der gemessenen Luftmasse ergibt sich ein Vorsteuerwert
für die
maximal einzuspritzende Kraftstoffmenge. Aus dem Lambda-Grenzwert
und einem gemessenen Lambdawert wird eine Regelabweichung gebildet,
die von einem Lambdaregler zu einer Korrektur-Kraftstoffmenge als
Regelstellgröße verarbeitet
wird. Die Summe aus Vorsteuerwert und Korrekturwert liefert einen
exakten Wert der maximal zulässigen
Volllast-Kraftstoffmenge.
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Parallel
wird ein Sollwert für
die zur Erzeugung des geforderten Drehmoments einzuspritzende Kraftstoffmenge
berechnet und mit der maximal zulässigen Volllast-Kraftstoffmenge
verglichen. Für
die tatsächliche
Kraftstoffzumessung wird dann der kleinere der beiden Werte verwendet.
Insgesamt erfolgt damit bei der Begrenzung im Volllastbereich ein
direkter Eingriff auf die tatsächlich
einzuspritzende Kraftstoffmasse.
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Das
bekannte System verwendet für
den indirekten Eingriff einen Tiefpassfilter und für den direkten
Eingriff einen Lambdaregler. Diese Unterscheidung ist bei dem bekannten
System nötig,
weil die tatsächlich
einzuspritzende Kraftstoffmasse bei dem indirekten Eingriff nicht
korrigiert wird. Es liegt kein geschlossener Regelkreis für die einzuspritzende Kraftstoffmenge
vor.
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Offenbarung
der Erfindung
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Von
diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung
durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Vorteilhafte
Wirkungen
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Im
Gegensatz zu dem bekannten System ist für neue Systeme geplant, dass
sämtliche
Sollwert-Kennfelder
nicht mehr über
Einspritzmengen oder Kraftstoffmassen, sondern über Drehmomente adressiert
werden. Die vorgeschlagene Lösung
ist sowohl für
Systeme, die die Einspritzmenge als Steuergröße verwenden, als auch für Systeme,
die das Drehmoment als Steuergröße verwenden,
geeignet. Darüber
hinaus ermöglicht
die vorgeschlagene Lösung
eine vereinheitlichte Korrektur der im Volllastbereich wirkenden
Begrenzung und der im Teillastbereich wirkenden Korrektur, die auf
der Mengenmittelwertadaption basiert. Dabei werden auch die Adaptionsverfahren
für den
indirekten Eingriff und den direkten Eingriff angeglichen. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass die vorgeschlagene Struktur auch in Verbindung
mit dem bekannten System, das auf einer Verwendung der Kraftstoffmasse
als Steuergröße basiert,
verwendbar ist. Die vorgeschlagene Lösung ist insofern abwärtskompatibel.
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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, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung
der 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 einen
Dieselmotor als technisches Umfeld der Erfindung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Struktur
einer Mengenmittelwertadaption; und
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Struktur
einer Volllastbegrenzung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
einen Dieselmotor 10 mit einem Brennraum 12, der
von einem Kolben 14 beweglich abgedichtet wird. Durch Betätigen eines
Einlassventils 18 und eines Auslassventils 16 wird
ein Wechsel von Füllungen
des Brennraums 12 gesteuert. Abgase verbrannter Füllungen
werden über
ein Abgassystem 20 abgeleitet. Zu einer vorhandenen Füllung des Brennraums 12 mit
Luft wird Kraftstoff über
einen Injektor 22 dosiert, wobei die Dosierung auch die
Verbrennung einleitet. Die Füllung
des Brennraums 12 mit Luft erfolgt über ein Ansaugsystem 24.
Ansaugsystem 24 und Abgassystem 20 sind über eine
Abgasrückführung aus
einer Verbindungsleitung 26 und einem Abgasrückführventil 28 verbunden.
Optional weist der Dieselmotor 10 ferner einen Turbolader 30 auf,
der im Ansaugsystem 24 vor dem Einlassventil 18 einen
Ladedruck p_lade erzeugt.
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Die
Masse mL der in den Dieselmotor 10 strömenden Luft wird mit einem
Luftmassenmesser 32, bspw. einem Heißfilm-Luftmassenmesser, erfasst.
Der Sauerstoffpartialdruck im Abgas, der ein Maß für die Luftzahl Lambda des im
Brennraum 12 verbrannten Gemisches ist, wird von einem
Lambdasensor 36 erfasst. Ferner weist der Dieselmotor 10 eine
Winkelsensorik auf, die in der Regel aus einem Nockenwellenwinkelsensor
und einem Kurbelwellenwinkelsensor besteht und eine genaue Erfassung
der Winkelposition der Kurbelwelle in dem Arbeitszyklus des Verbrennungszyklus
des Dieselmotors 10 erlaubt. In der 1 ist stellvertretend
für die
Winkelsensorik ein Kurbelwellenwinkelsensor 38 dargestellt,
der Winkelmarkierungen 40 eines Geberrades 42 induktiv
abtastet und eine Kurbelwellenwinkelinformation KWW bereitstellt.
Ein Fahrerwunschgeber 44 erfasst eine Drehmomentanforderung
FW eines Fahrers.
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Ein
Steuergerät 46 verarbeitet
die Signale mL, KWW, Lambda und bildet daraus Stellgrößen zur Steuerung
des Dieselmotors 10. In der Darstellung der 1 sind
dies insbesondere Ansteuersignale AS für den Injektor 22 zur
Dosierung der Kraftstoffzufuhr und ein Stellsignal S_AGR zur Steuerung
der Abgasrückführung. Da
der Dieselmotor 10 weitgehend ungedrosselt betrieben wird,
erfolgt eine Einstellung des abgasrelevanten Frischluftanteils der Brennraumfüllungen über die
Abgasrückführung. Es versteht
sich, dass zur Steuerung des Dieselmotors 10 auch weitere
Sensoren, zum Beispiel Temperatursensoren, Ladedrucksensoren etc.
und weitere Stellglieder, zum Beispiel eine Drosselklappe und/oder ein
Stellglied zur Verstellung der Turbinengeometrie des Turboladers 30 vorhanden
sein können.
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Die 2 und 3 stellen
jeweils Ausgestaltungen der Erfindung in Form von Funktionsstrukturen
dar, wobei verschiedene Funktionen durch Blöcke und ihr Zusammenwirken
durch Verbindungen zwischen den Blöcken repräsentiert wird. Das Steuergerät 46 ist
dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, die Funktionen
dieser Blöcke
in Hardware oder Software zu realisieren. Die 2 und 3 weisen
daher sowohl Verfahrens- als auch Vorrichtungsaspekte auf und stellen
daher sowohl Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Verfahren als
auch eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 46 dar.
Die 2 zeigt eine Ausgestaltung zur Steuerung des Dieselmotors 10 in
einem Teillastbereich. Dabei wird die Luftmasse, das heißt die Masse
des Luftanteils an Füllungen
des Brennraums 12, als abgasrelevanter Betriebsparameter
eingestellt. Als Steuergröße wird
dabei vom Block 48 ein Sollmoment M_soll vorgegeben, das
zum Beispiel als Funktion eines Fahrerwunsches FW gebildet wird.
Es versteht sich aber, dass das Sollmoment M_soll auch als Funktion
weiterer Anforderungen, zum Beispiel als Funktion von Anforderungen
eines Fahrdynamiksystems, eines Getriebesteuergeräts, einer
Belastung des Dieselmotors 10 durch Nebenaggregate, einer Leerlaufregelung
etc. gebildet werden kann. Das Sollmoment M_soll ist proportional
zu einer einzuspritzenden Kraftstoffmasse mk_soll, die von einem Drehmoment-Kraftstoffmassen-Konvertierungsblock 50 bestimmt
wird. Mit der so bestimmten Kraftstoffmasse mk_soll wird ein Kraftstoffeinspritzsystem 52 angesteuert,
das zumindest den Injektor 22 aus der 1 aufweist.
Die über
das Einspritzsystem 52 tatsächlich in den Brennraum 12 des
Dieselmotors 10 dosierte Kraftstoffmasse mk_ist kann aufgrund
von Toleranzen des Einspritzsystems 52 von dem Sollwert
mk_soll abweichen.
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Der
Block 54 repräsentiert
die Bestimmung eines Messwertes mL_mess für die in den Dieselmotor 10 einströmende Luftmasse
mL aus dem Signal des Luftmassenmessers 32 der 1.
Der Messwert mL_mess kann aufgrund von Toleranzen ebenfalls von
der tatsächlich
in den Dieselmotor 10 einströmenden Luftmasse mL_ist abweichen.
Der Lambdawert im Brennraum 12 und damit im Abgas kann
aufgrund der Toleranzen im Luftsystem und im Einspritzsystem von
einem Sollwert für
Lambda abweichen.
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Zur
Kompensation dieser Abweichungen wird die neue Momenten- und Lambda-basierte
Mengenmittelwertadaption durchgeführt. Dabei erfolgt ein kompensierender
Eingriff als indirekter Eingriff auf die Abgasrückführung. Je höher der Anteil zurückgeführten Abgases
ist, desto kleiner ist der Luftanteil der Brennraumfüllungen.
Bei einer Einteilung der Steuersysteme in ein Kraftstoffsystem und
ein Luftsystem kann die Abgasrückführung daher
dem Luftsystem zugerechnet werden. Bei der neuen Mengenmittelwertadaption
der 2 wird ein Abgasrückführungskennfeld 56 mit
der aus dem Kurbelwellenwinkelsignal KWW ermittelten Drehzahl n
= f(KWW) und dem als Steuergröße dienenden
Solldrehmoment M_soll adressiert. Genau genommen erfolgt die Adressierung
mit einer korrigierten Steuergröße M_soll_korr,
wobei diese Korrektur weiter unten erläutert wird. Das Abgasrückführungskennfeld 56 liefert
eine Sollluftmenge mL_soll. Aus dieser Sollluftmenge mL_soll und
dem Luftmassenmesswert mL_mess wird in der Verknüpfung 58 eine Regelabweichung
gebildet, mit der über
einen Reglerblock 60 eine Stellgröße S_AGR zur Steuerung der
Luftmasse mL_ist über
einen Eingriff in die Abgasrückführung erzeugt
wird.
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Dadurch
wird ein geschlossener Regelkreis bereitgestellt, mit dem Abweichungen
der tatsächlichen
Luftmasse mL_ist von ihrem Sollwert mL_soll kompensiert werden.
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Es
bleiben jedoch noch mögliche
Abweichungen von Lambda von einem gewünschten Wert übrig, die
durch Toleranzen im Kraftstoffsystem oder durch Toleranzen des Luftmassenmessers
und somit durch eine nicht zur dosierten Kraftstoffmasse passend
bestimmte Luftmasse verursacht werden. Zur Kompensation dieser Abweichungen
weist die 2 einen Block 62 auf,
in dem ein Istwert eines Maßes für den Lambdawert
aus dem Signal des Lambdasensors 36 aus der 1 gebildet
wird. Der Istwert wird bevorzugt als zum Lambdawert Lambda reziproke
Größe 1/Lambda
gebildet, weil dieser Kehrwert direkt proportional zur Kraftstoffmasse
ist. Ferner wird ein Erwartungswert des Maßes für den Lambdawert gebildet.
Dies erfolgt beim Gegenstand der 2 mit Hilfe
eines Drehmomend/Kraftstoffmassen-Konvertierungsblocks 64, der
den gleichen Drehmomentwert M_soll_korr verarbeitet, mit dem auch
das Abgasrückführungs-Kennfeld 56 adressiert
wird.
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Am
Ausgang des Drehmoment-Kraftstoffmassen-Konvertierungsblocks 64 ergibt
sich daher ein Wert für
eine korrigierte Kraftstoffmasse mk_soll_korr, die von einem Block 66 durch
Multiplikation mit einem Faktor 14,5 in eine korrigierte Luftmasse
mL_soll_korr umgerechnet wird. Die korrigierte Luftmasse mL_soll_korr
wird in der Verknüpfung 68 durch
den vom Block 54 bereitgestellten Messwert mL_mess geteilt,
so dass sich am Ausgang der Verknüpfung 68 ein Erwartungswert
E eines Maßes
für den
Lambdawert als Funktion einer korrigierten Luftmasse als korrigiertem
abgasrelevantem Betriebsparameter und einer gemessenen Luftmasse
mL_mess ergibt. Mit der beschriebenen Quotientenbildung ist dieser
Erwartungswert E proportional zum Kehrwert eines Erwartungswertes
für die
Luftzahl Lambda, also E = E(1/Lambda).
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Von
dem in der Verknüpfung 68 gebildeten Erwartungswert
eines Maßes
für den
Lambdawert wird in der Verknüpfung 70 ein
Istwert des Maßes
für den
Lambdawert, wie es durch den Block 62 bereitgestellt wird,
subtrahiert. Anschließend
wird die Differenz der beiden Maße durch einen Regler 72,
der beispielsweise als PI-Regler realisiert ist, verarbeitet und
in eine Stellgröße d_M_soll
umgewandelt, die die Dimension eines Drehmomentes hat. Dieses Drehmoment
d_M_soll wird, gegebenenfalls nach einer Tiefpassfilterung, in einem
Lernkennfeld 74 betriebspunktabhängig gespeichert. Dabei werden
die Betriebspunkte des Lernkennfeldes 74 bevorzugt durch Drehmomentsollwerte
M_soll und Drehzahlwerte n definiert. Ein im Lernkennfeld bei einem
bestimmten Paar M_soll und n gespeicherter Korrekturwert d_M_soll
wird beim Anfahren dieses Betriebspunktes ausgelesen und in der
Verknüpfung 76 zum
Drehmomentsollwert M_soll hinzuaddiert. Die Summe aus dem Drehmomentsollwert
M_soll und dem Korrekturwert d_M_soll stellt die bereits erwähnte korrigierte Steuergröße M_soll_korr
dar, mit der das Abgasrückführungskennfeld 56 adressiert
wird und die als Eingangsgröße für den Drehmoment-Kraftstoffmassen-Konvertierungsblock 64 dient.
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3 zeigt
eine ergänzend
im Volllastbereich wirksame Struktur zur Begrenzung des Drehmoments
und/oder der Rauchentwicklung des Dieselmotors 10. Dabei
bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den 2 und 3 jeweils
gleiche Strukturen. Bei der Struktur der 3 wird eine
Steuergröße als Drehmoment
M_soll durch den bereits im Zusammenhang mit der 2 beschriebenen
Block 48 ausgegeben. Durch eine Minimalauswahl 78 zwischen diesem
Drehmomentsollwert M_soll und einem Grenzwert M_grenz_korr wird
sichergestellt, dass der Dieselmotor 10 keine über dem
Grenzwert M_grenz_korr liegenden Werte des Drehmoments erzeugt.
Dazu wird der mit Hilfe der Minimalauswahl 78 ausgewählte Drehmomentwert
durch den Drehmoment-Kraftstoffmassen-Konvertierungsblock 64 in einen
Kraftstoffmassensollwert mk_soll umgewandelt. Mit dem Kraftstoffmassensollwert
mk_soll wird das Kraftstoffeinspritzsystem 52 angesteuert,
das darauf eine Kraftstoffmasse mk_ist tatsächlich in den Brennraum 12 einspritzt.
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Der
Kraftstoffmassensollwert mk_soll wird ferner durch den Block 66 mit
einem Multiplikationsfaktor 14,5 in eine Luftmasse mL_soll umgerechnet. Durch
die Blöcke 68 und 70 wird
aus der Sollluftmasse mL_soll, dem Messwert mL_mess der Luftmasse und
dem gemessenen Lambdawert eine Regelabweichung erzeugt, die dem
Regler 72 zugeführt
wird. Die Bildung der Regelabweichung erfolgt dabei bevorzugt auf
der Basis von Kehrwerten von Lambdawerten. Der Regler 72 erzeugt
aus der Regelabweichung eine Regelstellgröße d_M_soll mit der physikalischen
Dimension eines Drehmoments. Die Regelstellgröße wird, gegebenenfalls in
verarbeiteter Form, betriebspunktabhängig in ein Begrenzungs-Lernkennfeld 80 eingeschrieben,
das im Betrieb des Dieselmotors 10 durch Werte des Begrenzungsmoments
M_grenz aus einem Kennfeld 81 und der Drehzahl n adressiert
wird. Eine Verarbeitung erfolgt in einer Ausgestaltung durch eine
Tiefpassfilterung oder eine statistische Absicherung der so ermittelten
Korrektur.
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Im
Betrieb des Dieselmotors 10 wird der aus dem Lernkennfeld 80 ausgelesene
Korrekturwert d_M_soll von dem aus dem Kennfeld 81 ausgelesenen
Grenzwert in einer Verknüpfung 82 subtrahiert. Das
Ergebnis der Subtraktion wird zusammen mit dem aus dem Block 48 ausgelesenen
Drehmomentsollwert M_soll der Minimalauswahl 78 zugeführt. Damit
stellt die Erfindung eine vereinheitlichte Struktur und ein vereinheitliches
Lernverfahren für
den indirekten Eingriff im Rahmen der Mengenmittelwertadaption der 2 und
den direkten Eingriff im Rahmen der Volllastbegrenzung der 3 vor.
Aus dem jeweiligen Lernkennfeld wird jeweils abhängig vom Betriebspunkt, der
durch ein Basismoment M_soll oder M_grenz und eine Drehzahl n gekennzeichnet ist,
ein Korrekturwert d_M_soll für
die Korrektur eines Sollwertkennfelds 48 oder 81 ermittelt.
Das mit dem Korrekturwert korrigierte Moment wird darüber hinaus
in eine steuergerätinterne
Kraftstoffmasse konvertiert und für die Berechnung eines reziproken Lambdawerts
verwendet. Der Korrekturwert d_M_soll, der die Dimension eines Drehmoments
besitzt, wirkt also einerseits auf die abgasrelevanten Größen und
andererseits auf den Reglereingang zurück.
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Die
Konvertierung des Drehmomentes in eine steuergeräteinterne Kraftstoffmasse mk_soll stellt
zusammen mit dem Umrechungsfaktor 14,5 und der Division in Block 68 gewissermaßen ein
einfaches Modell der Lambdaregelstrecke dar. Aus regelungstechnischer
Sicht entsteht durch die Rückführung mit
dem PI-Regler 72 im Teillastbetrieb eine Beobachterstruktur.
Die Struktur kann vorteilhafterweise betriebspunktabhängig so
umgeschaltet werden, dass eine Volllastregelung entsprechend 3 ermöglicht wird.
In diesem Fall wird das Minimum aus Drehmomentsollwert und korrigiertem
Begrenzungsmoment gebildet. Das begrenzte Moment wird wieder in
eine Kraftstoffmasse konvertiert und in Zumessung und Regelstreckenmodell
weiter verarbeitet.