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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine mit einer Abtriebswelle, die mit einem
Schaltgetriebe koppelbar ist.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen
von Fahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen
es erforderlich, die Schadstoffemissionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine
so gering wie möglich
zu halten. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass die Schadstoffemissionen
verringert werden, die während
der Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Und zum anderen sind
in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die
die Schadstoffemissionen, die während
des Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoffgemisches in den jeweiligen
Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln.
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Besonderes
Augenmerk wird in letzter Zeit auf das Vermeiden der Emission von
Rußpartikeln, insbesondere
bei Kraftfahrzeugen mit Diesel-Brennkraftmaschinen, gelegt. Zu diesem
Zweck sollen beispielsweise Partikelfilter eingesetzt werden. Unabhängig von
einem Einsatz eines Partikelfilters ist jedoch eine möglichst
geringe Erzeugung an Rußpartikeln
wünschenswert.
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In
der Patentschrift
US 5,468,195 ist
ein Verfahren offenbart, bei dem ausgehend von einem Soll-Luft-Kraftstoffverhältnis ein Übersetzungsverhältnis eines
Schaltgetriebes eingestellt wird. Die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses
erfolgt derart, dass sich das Kraftfahrzeugdrehmoment nicht ändert, und
die Schadstoffemissionen minimal sind. Dieses Verfahren führt aber
bei bestimmten Entscheidungsstrategien der Steuereinheit, bei denen eine
Erhöhungs anforderung
des Übersetzungsverhältnisses
nicht ausgeführt
wird, zu hohen Schadstoffemissionen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die die Rußemission
der Brennkraftmaschine verringert.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 oder
6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich durch ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Abtriebswelle
aus, die mit einem Schaltgetriebe koppelbar ist. Ein zuzumessender
Kraftstoffwert wird zur Verfügung
gestellt. Ferner wird ein Luftmassenwert einer in einem Zylinder
angesaugten Luftmasse zur Verfügung
gestellt.
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Ein
Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis
wird abhängig
von dem Luftmassenwert und dem zuzumessendem Kraftstoffmassenwert
ermittelt. Eine Erhöhungsanforderung
bezüglich
eines Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes wird erzeugt zum Übermitteln an eine Steuereinheit
des Schaltgetriebes, wenn das Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis einen ersten
Schwellenwert unterschreitet. Auf diese Weise kann bei geeigneter
Wahl des ersten Schwellenwertes eine unerwünscht starke Zunahme der Rußemissionen
verhindert werden, da durch das Erhöhen des Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes bei einer selbstverständlich gleich bleibenden Drehmomentabgabe
abtriebsseitig des Schaltgetriebes sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine
erhöht,
was wiederum zur Folge hat, dass das von der Brennkraftmaschine
erzeugte Drehmoment verringert wird und somit bei einer Quantitätssteuerung
das Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis entsprechend
ansteigt und somit in einen für
bezüglich
der Erzeugung von Rußemissionen
unkritischen Bereich gelangt. Auf diese Weise kann so bereits bei
dem Verbrennungsprozess in den jeweiligen Brennräumen des oder der Zylinder
der Brennkraftmaschine eine geringe Rußemission sichergestellt werden.
Dies hat auch im Zusammenhang mit dem ggf. vorhandenen Partikelfilter für Rußpartikel
den Vorteil, dass dieser weniger stark mit Rußpartikeln beladen wird.
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Das
tatsächliche
Umsetzen der Erhöhungsanforderung
bezüglich
des Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes erfolgt in der Steuereinheit, die gegebenenfalls
auch andere Anforderungen diesbezüglich koordiniert und die gemäß einer
in ihr imp lementierten Entscheidungsstrategie die Verringerungsanforderung
berücksichtigt
oder auch nicht berücksichtigt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hängt der erste Schwellenwert
von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder einer für die Temperatur
der angesaugten Luftmasse in dem Zylinder charakteristischen Größe ab. Auf
diese Weise kann besonders wirkungsvoll das Erzeugen von Rußemissionen
verhindert werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei bestehender
Erhöhungsanforderung
ohne Umsetzung der Erhöhung
in dem Schaltgetriebe der in dem Zylinder zuzumessende Kraftstoffmassenwert
abhängig
von einem Ruß-Schwellenwert des
Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses begrenzt.
Auf diese Weise kann somit unabhängig von
der Entscheidungsstrategie der Steuereinheit sichergestellt werden,
dass ein vorgegebenes Maß an Rußemissionen
nicht überschritten
wird, was jedoch gegebenenfalls auf Kosten des tatsächlich erzeugten Drehmoments
erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Anschluss
an ein Umsetzen der Erhöhungsanforderung
durch das Schaltgetriebe eine Verringerungsanforderung bezüglich des Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes zum Übermitteln
an die Steuereinheit des Schaltgetriebes erzeugt, wenn das Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis einen
zweiten Schwellenwert überschreitet. Dies
ermöglicht
bei geeigneter Wahl des zweiten Schwellenwertes dann beispielsweise
ein erneutes Verringern des Übersetzungsverhältnisses,
ohne dass es zu einer nennenswerten Zunahme der Rußemissionen
kommt.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der zweite Schwellenwert
von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder der für die Temperatur der
angesaugten Luftmasse in dem Zylinder charakteristischen Größe abhängt. Auf
diese Weise kann besonders wirkungsvoll das Erzeugen von Rußemissionen
verhindert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung und
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2 ein
Ablaufdiagramm eines Programms, das in der Steuervorrichtung abgearbeitet wird.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1,
einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen
Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst vorzugsweise
eine Drosselklappe 5, ferner einen Sammler 6 und
ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Z1 über einen
Einlasskanal in den Motorblock 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst
ferner eine Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit
dem Kolben 11 des Zylinders Z1 gekoppelt ist.
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Der
Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gaseinlassventil 12 und
einem Gasauslassventil 13. Der Zylinderkopf 3 umfasst
ferner ein Einspritzventil 18.
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In
dem Abgastrakt ist ein Katalysator 21 angeordnet. Ferner
ist in dem Abgastrakt ggf. auch ein Partikelfilter angeordnet.
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Ferner
ist bevorzugt eine Abgasrückführung vorgesehen,
die dazu ausgebildet ist, Abgas aus dem Abgastrakt 4 in
den Ansaugtrakt 1 zurückzuführen. Darüber hinaus
ist bevorzugt ein Verdichter in dem Ansaugtrakt angeordnet, der
bevorzugt Teil eines Abgasturboladers ist, der neben dem Verdichter
eine Turbine umfasst, die in dem Abgastrakt 4 angeordnet ist
und den Verdichter antreibt.
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Darüber hinaus
ist die als Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine ausgebildete
Abtriebswelle mit einem Schaltgetriebe 23 koppelbar. Bevorzugt
ist das Schaltgetriebe ein automatisiertes Schaltgetriebe, dessen Übersetzungsverhältnis durch
eine Steuereinheit 24 gesteuert wird. Ein Verringern des Übersetzungsverhältnisses
kann bei dem Vorhandensein verschiedener Gänge durch ein Schalten in einen
höheren
Gang umgesetzt werden. Ein Erhöhen
des Übersetzungsverhältnisses
kann bei dem Vorhandensein verschiedener Gänge durch ein Schalten in einen
niedrigeren Gang umgesetzt werden.
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Ferner
ist eine Steuervorrichtung 25 für die Brennkraftmaschine vorgesehen,
der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen
und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen BG umfassen
neben den Messgrößen auch
von diesen abgeleitete Größen. Die
Steuervorrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der
Betriebsgrößen BG Stellgrößen, die
dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder
mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann
auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet
werden. Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 26, welcher
eine Fahrpedalstellung PV eines Fahrpedals 27 erfasst,
ein Luftmassensensor 28, welcher einen Luftmassenstrom
stromaufwärts der
Drosselklappe 5 erfasst; ein erster Temperatursensor 32,
welcher eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34,
welcher einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein
Kurbelwellenwinkelsensor 36, welcher einen Kurbelwellenwinkel
erfasst, dem dann eine Drehzahl N zugeordnet wird. Ferner ist ein
zweiter Temperatursensor 38 vorgesehen, der eine Kühlmitteltemperatur
oder eine Kraftstofftemperatur erfasst. Ferner ist bevorzugt eine
Abgassonde 42 vorgesehen, die in dem Abgastrakt 4 angeordnet
ist.
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Je
nach Ausführungsform
der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren
vorhanden sein oder es können
auch zusätzliche
Sensoren vorhanden sein.
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Die
Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die
Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das
Einspritzventil 18, der Verdichter und gegebenenfalls ein
Ventil in der Abgasrückführung.
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Neben
dem Zylinder Z1 sind auch noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorgesehen,
denen dann auch entsprechende Stellglieder und gegebenenfalls Sensoren
zugeordnet sind. Somit kann die Brennkraftmaschine eine beliebige
Anzahl an Zylindern Z1 bis Z4 aufweisen.
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Ein
Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine wird in einem Schritt
S1 (2) gestartet. In dem Schritt S1 werden gegebenenfalls
Variablen initialisiert.
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In
einem Schritt S2 wird ein Soll-Drehmoment TQI_SP der Brennkraftmaschine
ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt abhängig von zumindest der Fahrpedalstellung
PV, die den Fahrerwunsch repräsentiert.
Bei dem Ermitteln des Soll-Drehmoments TQI_SP können jedoch auch weitere Betriebsgrößen BG der
Brennkraftmaschine berücksichtigt
werden. Bevorzugt erfolgt das Ermitteln des Soll-Drehmoments TQI_SP
mittels einer Drehmomentbasierten Funktionsstruktur, wie sie allgemein üblich in
Steuervorrichtungen im Einsatz ist.
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In
einem Schritt S4 wird ein zuzumessender Kraftstoffmassenwert MFF_SP
abhängig
von dem Soll-Drehmoment TQI_SP und gegebenenfalls auch noch weiteren
Betriebsgrößen BG ermittelt.
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In
einem Schritt S6 wird ein Luftmassenwert MAF abhängig von zumindest einer der
Betriebsgrößen BG ermittelt.
Dabei kann beispielsweise auch die Drehzahl N berücksichtigt
sein. Grundsätzlich
wird im Zusammenhang mit einer Quantitätssteuerung die Luftmasse im
Wesentlichen ungedrosselt in die Brennräume der Zylinder Z1 bis Z4
angesaugt. Insbesondere jedoch im Zusammenhang mit der Abgasrückführung oder
auch dem Verdichter können
die diesen Elementen zugeordneten Stellglieder jedoch auch gezielt
angesteuert werden, um so einen besonders günstigen Luftmassenwert MAF
der pro Arbeitsspiel in den jeweiligen Zylinder Z1 bis Z4 angesaugten
Luftmasse einzustellen. In diesem Zusammenhang kann das Ermitteln
des Luftmassenwertes MAF auch unter Zuhilfenahme eines dynamischen Saugrohrmodells
erfolgen, das die Dynamik des Ansaugtraktes einschließlich der
Abgasrückführung und des
gegebenenfalls vorhandenen Verdichters berücksichtigt.
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In
einem Schritt S8 wird anschließend
ein Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP
ermittelt und zwar abhängig
von der in dem Schritt S8 dargestellten Formel. Dem Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP
kann beispielsweise direkt oder unter Berücksichtigung weiterer Einflussfaktoren
der Quotient aus dem Luftmassenwert MAF und dem Produkt eines stöchiometrischen
Faktors LST zugeordnet werden, der in etwa 14 beträgt, und
dem zuzumessenden Kraftstoffmassenwert MFF_SP.
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In
einem Schritt S12 wird geprüft,
ob das Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP
kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert THD1. Der vorgegebene
erste Schwellenwert THD1 kann in einer einfachen Ausgestaltung fest
vorgegeben sein und beispielsweise einen Wert von 1,3 annehmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist jedoch ein Schritt S10 vorgesehen,
in dem der erste Schwellenwert THD1 und bevorzugt auch ein zweiter
Schwellenwert THD2 abhängig
von der Drehzahl N der Brennkraftmaschine und/oder einer für die Temperatur
T_IA der angesaugten Luftmasse in dem Zylinder charakteristischen
Größe ermittelt
wird. Dies erfolgt bevorzugt abhängig
von einem Kennfeld, das durch Versuche an einem Motorprüfstand oder
Simulationen vorab ermittelt wurde und in einem Speicher der Steuervorrichtung
gespeichert ist.
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Die
für die
Temperatur T_IA der angesaugten Luftmasse in dem jeweiligen Zylinder
Z1 bis Z4 charakteristische Größe kann
beispielsweise abhängig von
der mittels des ersten Temperatursensors 32 ermittelten
Ansauglufttemperatur ermittelt werden. Sie kann jedoch auch abhängig von
der Kühlmitteltempera tur
oder auch grundsätzlich
abhängig
von der Kraftstofftemperatur ermittelt werden.
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Der
erste Schwellenwert THD1 ist bevorzugt so vorgegeben, dass bei einem
Luft-/Kraftstoff-Verhältnis,
das größer ist
als der erste Schwellenwert THD1, der Grad an Emission von Rußpartikeln
auf gewünschte
Weise gering ist. In diesem Zusammenhang wird ferner die Erkenntnis
genutzt, dass der Anteil an Rußpartikeln
nichtlinear mit sinkendem Luft-/Kraftstoff-Verhältnis zunimmt.
In dem Bereich des Wertes von 1,3 des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses hat
es sich gezeigt, dass bei einem weiter sinkenden Luft-/Kraftstoff-Verhältnis eine
sehr starke Zunahme an Rußpartikeln
zu beobachten ist, während
mit einem im Vergleich dazu zunehmenden Luft-/Kraftstoff-Verhältnis der Anteil der Rußpartikel
sehr stark abnimmt.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S12 erfüllt, so wird in einem Schritt
S14 eine Erhöhungsanforderung
REQ_UP bezüglich
des Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes 23 zum Übermitteln an die Steuereinheit 24 erzeugt.
Ferner wird ein Merker M mit einem Wahrheitswert TRUE belegt.
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Die
Erhöhungsanforderung
REQ_UP wird bevorzugt über
ein BUS-System der
Steuereinheit 24 übermittelt,
die dann abhängig
von der in ihr implementierten Entscheidungsstrategie bezüglich auch weiterer
Verringerungs- oder Erhöhungsanforderungen
bezüglich
des Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes von anderen Funktionen der Steuervorrichtung 25 oder
auch weiteren Einheiten des Fahrzeuges dann die Erhöhungsanforderung REQ_UP
bezüglich
des Übersetzungsverhältnisses des
Schaltgetriebes 23 soweit möglich umsetzt.
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Gegebenenfalls
erfolgt jedoch auch ein zeitverzögertes
Umsetzen der Erhöhungsanforderung REQ_UP
durch die Steuereinheit
24. So kann optional ein Schritt
S16 vorgesehen sein, in dem der zuzumessende Kraftstoffmassenwert
MFF_SP wie folgt begrenzt wird (Schritt
16):
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Dabei
bezeichnet LAM_RU einen Ruß-Schwellenwert
des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses,
MAF den Luftmassenwert und LST einen stöchiometrischen Faktor, der
vorzugsweise den Wert 14 aufweist. Auf diese Weise kann
bei einem noch nicht erfolgten Umsetzen der Erhöhungsanforderung REQ_UP durch
die Steuereinheit zumindest im Bereich der Brennkraftmaschine sichergestellt
werden, dass die durch den Ruß-Schwellenwert
LAM_RU des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses
vorgegebene Rußpartikelemission
nicht überschritten
wird.
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Anschließend verzweigt
das Programm dann in einen Schritt S18, in dem es bevorzugt für eine vorgegebene
Wartezeitdauer T_W verharrt, bevor die Bearbeitung erneut in dem
Schritt S2 fortgesetzt wird. Die vorgegebene Wartezeitdauer T_W
kann auch dynamisch so bestimmt werden, dass der Schritt S2 mit einer
vorgegebenen Periodizität
bezüglich
der Zeit oder auch des Kurbelwellenwinkels aufgerufen wird.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S12 hingegen nicht erfüllt, so
wird in einem Schritt S20 geprüft, ob
das Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP
größer ist
als der zweite Schwellenwert THD2 und gleichzeitig der Merker M
mit dem Wahrheitswert TRUE belegt ist. Der zweite Schwellenwert
THD2 ist bevorzugt so gewählt,
dass ein vorgegebenes Verringern des Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes mit der damit einhergehenden Verringerung des
Soll-Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses
LAM_SP zumindest nicht zu einem Unterschreiten des vorgegebenen
ersten Schwellenwertes THD1 führt
und zwar unter der Annahme eines dabei im Wesentlichen gleich bleibenden
Drehmoments an der Abtriebswelle des Schaltgetriebes 23.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S20 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung
in dem Schritt S18 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schrittes
S20 hingegen erfüllt,
so wird die Bearbeitung in einem Schritt S22 fortgesetzt, in dem
eine Verrin gerungsforderung REQ_DOWN bezüglich des Übersetzungsverhältnisses
des Schaltgetriebes 23 zum Übermitteln an die Steuereinheit 24 erzeugt
wird und der Merker M mit einem Falschwert FALSE belegt wird.
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Die
Steuereinheit 24 entscheidet abhängig von der in ihr implementierten
Koordinationsstrategie, ob sie die Erhöhungsanforderung REQ_G_UP bezüglich des Übersetzungsverhältnisses
tatsächlich umsetzt
oder nicht. Anschließend
an den Schritt 22 wird die Bearbeitung in dem Schritt S18
fortgesetzt.
