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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zylindergleichstellung bei
einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine für
ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 10115902 C1 ist ein Verfahren zur Lambda-Gleichstellung
bei einer auf Lambda (λ) = 1 geregelten, einen Katalysator
im Abgastrakt aufweisenden Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bekannt,
bei dem fortlaufend im Abgastrakt der Brennkraftmaschine stromabwärts
des Katalysators oder am Katalysator ein Abgasparameter erfasst
wird, der ein lokales Extremum zeigt, wenn die Verbrennung in allen
Zylindern bei Lambda = 1 erfolgt, und die Kraftstoffversorgung bei
jeweils zwei Zylindern durch gleichzeitige Anreicherung des Gemisches
für den einen und Abmagerung für den anderen Zylinder
vertrimmt wird, wobei die Vertrimmung so gewählt ist, dass
das zusammengeführte Abgas beider Zylinder einem Abgas
einer Verbrennung von gemittelt Lambda = 1 entspricht, und die Vertrimmung
so eingestellt wird, dass der Abgasparameter maximiert oder minimiert
wird.
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Ein
derartiges Verfahren zur Zylindergleichstellung mit Hilfe der Lambda-Messung
im zusammengeführten Abgas kann jedoch bei einer aufgeladenen
Brennkraftmaschine nicht angewandt werden, da eine Identifizierung
einzelner Zylinder im Abgasstrang über die Lambda-Sonde
aufgrund der Homogenisierung des Abgases durch den Lader nicht möglich
ist. Alternativ wäre für jeden Zylinder eine eigene Lambda-Sonde
notwendig.
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Gesucht
wird daher ein Verfahren zur Bestimmung der Ungleichverteilung des
Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in den Zylindern einer Brennkraftmaschine
zur Zylindergleichstellung, welches auch für Ottomotoren
mit Abgasturboladern geeignet ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen.
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Aus
dem genannten Stand der Technik ist bekannt, eine Laufruhemessung
an einer Brennkraftmaschine durchzuführen und eine Vertrimmung
der Gemischbildung an einzelnen Zylindern vorzunehmen.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass ein Zusammenhang zwischen der Vertrimmung eines Zylinders
und der Laufruhe der Zylinder ermittelt, dass auf Basis dieses Zusammenhangs
auf die Abweichung der Gemischzusammensetzung der Zylinder untereinander
geschlossen und schließlich auf Basis der Abweichungen
die Gemischzusammensetzung jedes Zylinders korrigiert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber
dem Stand der Technik die Vorteile auf, dass eine Zylindergleichstellung
auch bei aufgeladenen Motoren vorgenommen werden kann, ohne dass hierzu
eine zusätzliche Sensorik notwendig ist, und dass die nötigen
Berechnungsfunktionen in einem üblichen Motorsteuergerät
durchgeführt werden können.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen,
der Beschreibung oder den Figuren angegeben.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
ausschnittsweise Schemadarstellung eines angedeuteten Zylinders
einer Brennkraftmaschine, der in verschiedenen Bereichen mit einem
unterschiedlichen Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt ist und
die Zusammenhänge der verschiedenen Einspritzungen und
ihre Auswirkung auf das Gemisch im Brennraum,
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2 in
einem Zeitdiagramm die Auswirkungen einer Gemischvertrimmung an
einem bestimmten Zylinder auf die Laufunruhe und
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3 in
einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Laufunruhe der Einzelzylinder
eines Motors mit 3 Zylindern pro Motorbank bei Abmagerung bzw. Anfettung
eines Zylinders.
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4 einen
Algorithmus zur Bestimmung der Gemischabweichungen von Zylindern
einer Brennkraftmaschine.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere zur Zylindergleichstellung bei
einer aufgeladenen kanal- oder insbesondere direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug.
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Die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
setzt eine Kanal- oder insbesondere Direkteinspritzung mit der Möglichkeit
zur Mehrfacheinspritzung voraus, wie es beispielsweise in der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
10 2005 044 544 A1 beschrieben ist.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ausschnittsweise einen Bereich
eines Zylinders bzw. einen Brennraum 4 einer fremdgezündeten,
direkteinspritzenden 4-Takt-Brennkraftmaschine und die Zusammenhänge
der verschiedenen Einspritzungen und ihre Auswirkung auf das Gemisch
im Brennraum. Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder
4 mit je einem darin zyklisch auf und ab bewegten Kolben 17 aufweisen.
Der Zylinder bzw. der Brennraum 4 ist in seiner Längsrichtung
auf der dem Kolben 17 gegenüberliegenden Seite
durch einen Zylinderkopf 19 verschlossen, wobei dessen
Innenraum in Gegenrichtung durch den Kolben 17 begrenzt
ist. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolben 17 und daran
gekoppelte Steuerzeiten von nicht dargestellten Ein- und Auslassventilen werden
insgesamt vier in zyklischer Abfolge aneinander gereihte Verfahrenstakte
der Brennkraftmaschine vorgegeben.
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Zur
Einspritzung von Kraftstoff 2 in den Zylinder 4 ist ein
Injektor 3 vorgesehen, der mittels eines schematisch angedeuteten
Steuergerätes 16 betätigt wird und eine
Einspritzung 11 bewirkt, welche zu einem Zündzeitpunkt
ZZP eine definierte Strahlform aufweist. Der in den Zylinder 4 eingespritzte
Kraftstoff 2 bildet zusammen mit in einem Ansaugtakt angesaugtem
Frischluftvolumen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch λ, welches
zu einem geeigneten Zeitpunkt ZZP durch eine im Zylinderkopf 19 angeordnete
Zündkerze 5 gezündet wird. Neben der
Einspritzung durch den Injektor 3 wird auch die Zündung
durch die Zündkerze 5 mittels des Steuergerätes 16 gesteuert.
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In
einem nahen Bereich um die Zündkerze 5 entsteht
auf Grund der Einspritzung 11 eine fette Gemischwolke 14 mit
einem brennfähigen und zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisch
und einem Luftverhältnis λ2 < 1, und in einem weiter von der Zündkerze 5 entfernten
Bereich eine homogene Frischladung 13 mit einem Luftverhältnis λ1 >> 1.
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Die
Zündung bewirkt eine Entflammung und Verbrennung des im
Zylinder bzw. im Brennraum 4 befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches.
Das daraus entstehende Abgas wird mittels eines oder mehrerer nicht
dargestellter Auslassventile durch einen Abgaskanal 18 aus
dem Zylinder 4 herausgeleitet und zur Nachbehandlung durch einen
Abgaskatalysator 1 hindurchgeführt. Der Abgaskatalysator 1 kann
von beliebiger geeigneter Bauweise sein und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
ein Drei-Wege-Katalysator.
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Unter
bestimmten Betriebsbedingungen kann es zweckmäßig
sein, eine Füllung des Brennraums 4 mit einer
erhöhten Menge an Inertgas zu versehen. Hierzu ist eine
schematisch angedeutete Abgasrückführung 24 vorgesehen,
die unter Einwirkung des Steuergerätes 16 eine
vorgegebene Menge von Abgas in den Zylinder 4 rückführt.
Ein erhöhter Gehalt von Inert- bzw. Abgas kann auch durch
entsprechend eingestellte, gegebenenfalls gesteuerte bzw. geregelte
Ventilsteuerzeiten herbeigeführt werden.
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Der
zuvor beschriebene Motor wird mit stöchiometrischem Gemisch
im gesamten Brennraum 4 betrieben. Daher erzeugt der momentenbestimmende
Teil der ersten Einspritzung in den Ansaugtakt ein homogen mageres
Gemisch 13. Wird dieses magere Gemisch 13 z. B. über
einen undichten und damit fehlerhaften Injektor angefettet, erzeugt
dieser Zylinder ein höheres Moment im Vergleich zu den
anderen Zylindern. Über eine im Abgastrakt angeordnete Lambdasonde,
die das Gesamtgemisch aller im Abgasstrang zusammengeführten
Zylinder auf λ = 1 hält, werden die restlichen
Zylinder abgemagert, was zu einem Momentenverlust dieser Zylinder
führt. Da beim Betrieb des Motors mit einer Einspritzung
in den Ansaugtakt die Momentenabhängigkeit von der Kraftstoff-Luft-Zusammensetzung
in weiten Bereichen nur sehr schwach ausgeprägt ist, wird
die Messung der Gemischverteilung üblicherweise über
die Laufunruhe und das zuvor beschriebene Einspritztiming durchgeführt.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird demzufolge eine Messung der Laufunruhe des Motors vorgeschlagen.
Voraussetzung hierfür ist ein möglichst eindeutiger
Zusammenhang zwischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis und Momentenabgabe
des Zylinders. Um diesen Zusammenhang zu realisieren, muss der Motor über
Kanal- oder insbesondere Direkteinspritzung, jedoch unbedingt mit der
Möglichkeit zur Mehrfacheinspritzung verfügen.
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Eine
derartige und geeignete Betriebsweise des Motors wird beispielsweise
in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 044 544 A1 beschrieben.
Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird in diesem Fall auf drei Einspritzungen
aufteilt. Die erste Einspritzung erfolgt in den Saughub, ist also
eine Homogeneinspritzung. Ziel dieser Einspritzung ist das Erzeugen
eines mageren (λ
1 > 1) Kraftstoff-Luft-Gemisches
13 im
gesamten Brennraum
4.
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Die
zweite Einspritzung erfolgt, je nach Betriebszustand des Motors,
in den Saug- oder in den Kompressionshub. Durch die zweite Einspritzung wird
nahe der Zündkerze 5 ein stöchiometrisches
(λ2 = 1) bis leicht fettes (λ2 < 1)
Kraftstoff-Luft-Gemisch 14 erzeugt. Diese fette Gemischzone 14 gewährleistet
eine schnelle und sichere Verbrennung auch bei global sehr mageren
Bedingungen oder hohen Restgasmassen im Brennraum 4. Die
zweite Einspritzung erfolgt, je nach Betriebszustand des Motors,
in den Saug- oder in den Kompressionshub.
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Die
dritte Einspritzung ist als Schichteinspritzung ausgeführt,
wird also in den Kompressionshub eingespritzt. Sie erfolgt beim
direkteinspritzenden Ottomotor mit strahlgeführtem Brennverfahren
unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt ZZP. Da der Zündzeitpunkt
ZZP bei dieser Betriebsart von Momentenanforderungen oder Leerlaufregelung
beeinflusst werden kann, muss der Einspritzzeitpunkt an den aktuellen
Zündzeitpunkt ZZP gekoppelt werden.
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Ziel
der Schichteinspritzung als dritte Einspritzung ist die Bereitstellung
eines definierten Kraftstoffstrahls 11 im Bereich der Zündkerze 5 zum
Zeitpunkt der Zündung, analog zur Strahlausbreitung im Schichtbetrieb.
Dies gewährleistet die sichere Entflammung der Frischladung
auch bei global sehr magerem Gemisch oder hohen Restgasmassen im Brennraum 4.
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2 zeigt
ein Zeitdiagramm 25 mit einer Zeitachse 26 und
einer weiteren Achse 27 für die Gemischvertrimmung
bzw. die Laufunruhe bestimmter Zylinder, beispielsweise der Zylinder
0, 2 und 4. Eine Kurve 28, welche eine Gemischvertrimmung
eines bestimmten Zylinders darstellt, zum Beispiel des Zylinders
4, weist drei Bereiche 29, 30, 31 auf.
Im Bereich 29 ist keine Gemischvertrimmung (0%) eingestellt,
im Bereich 30 beträgt die Gemischvertrimmung –30%
und im Bereich 31 +30%.
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Eine
Gemischvertrimmung an einem bestimmten Zylinder gemäß der
Kurve 28 hat Auswirkungen auf seine Momentenabgabe und
seine Laufunruhe. Im Zeitdiagramm 25 sind drei (gefilterte) Kurvenverläufe 32, 33, 34 dargestellt,
welche die Laufunruhe der Zylinder 0, 2 und 4 repräsentieren. Dabei
zeigt die Kurve 32 die Laufunruhe desjenigen Zylinders
an, z. B. des Zylinders 4, dessen Gemisch zu einem Zeitpunkt t1 um 30% abgemagert (Gemischvertrimmung –30%)
und zu einem Zeitpunkt t2 um 30% angefettet
wird (Gemischvertrimmung +30%). Zu einem Zeitpunkt t3 wird
die Gemischvertrimmung wieder auf 0% eingestellt.
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Der
Kraftstoffmengeneinfluß auf das Moment eines bestimmten
Zylinders wird sofort in seiner Laufunruhe sichtbar. 2 zeigt
den Einfluss der Kraftstoffmenge auf die Laufunruhe eines Zylinders beim
Betrieb des Motors mit Mehrfacheinspritzung. Im Bereich 29,
also vor dem Zeitpunkt t1 und nach dem Zeitpunkt
t3, ist ein bestimmter Zylinder, beispielsweise
der Zylinder 4, auf eine normale Gemischeinstellung eingestellt,
d. h. nicht vertrimmt.
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Wird
z. B. Zylinder 4 in 2 gemäß der
Kurve 28 zum Zeitpunkt t1 gegenüber
der normalen Gemischeinstellung im Bereich 29 um 30% im Bereich 30 abgemagert,
erzeugt er weniger Moment, was sich in einem erhöhten Laufunruhewert
gemäß der Kurve 32 zeigt. Da die Lambdasonde
das gesamte Gemisch der drei Zylinder 0, 2 und 4 auf λ =
1 hält, werden die beiden anderen Zylinder 0 und 2 jeweils angefettet,
wodurch sie mehr Moment abgeben und der Laufunruhewert sinkt, wie
dies die Kurven 33 und 34 verdeutlichen.
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Im
anderen Fall, d. h. wenn der Zylinder 4 in 2 gemäß der
Kurve 28 zum Zeitpunkt t2 gegenüber
der normalen Gemischeinstellung im Bereich 29 um 30% angefettet
wird, erzeugt er mehr Moment, was sich in einem niedrigeren Laufunruhewert
gemäß der Kurve 32 zeigt. Im Gegenzug
werden die Zylinder 0 und 2 abgemagert, wodurch ihr Laufunruhewert
in Form der Kurven 33 und 34 ansteigt.
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Den
oben beschriebenen Effekt nutzt die Erfindung, um die Gleichverteilung
des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses zwischen den Zylindern
einer Motorbank zu messen.
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3 zeigt
in einem Diagramm 35 mit einer ersten Achse 36 und
einer zweiten Achse 37 den Zusammenhang zwischen der Laufunruhe
der Einzelzylinder eines Motors mit drei Zylindern pro Motorbank bei
Abmagerung bzw. Anfettung eines Zylinders. Auf der Achse 36 sind
Werte für eine Gemischvertrimmung eines bestimmten Zylinders,
beispielsweise des Zylinders 4, aufgetragen, und auf der Achse 37 Werte
für die gefilterte Laufunruhe.
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Das
Diagramm 35 beinhaltet drei Kurven 38, 39 und 40 für
drei Zylinder 0, 2 und 4, wobei die Kurve 38 die Laufunruhe
des vertrimmten Zylinders 4, die Kurve 39 die Laufunruhe
des λ-geregelten Zylinders 0 und die Kurve 40 die
Laufunruhe des λ-geregelten Zylinders 2 jeweils über
der Vertrimmung des Zylinders 4 gemäß der Achse 36 anzeigt.
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Wie
aus dem Diagramm 35 ersichtlich ist, nimmt die Laufunruhe
des vertrimmten Zylinders 4 bei größer werdender
Abmagerung gemäß der Kurve 38 zu, während
die Laufunruhewerte der λ-geregelten Zylinder 0 und 2 bei
größer werdender Anfettung abnehmen.
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Zwischen
den beiden Kurven 38 und 39 ergibt sich ein Schnittpunkt 41 bei
einer zugehörigen Gemischvertrimmung des Zylinders 4 von
0,96, und zwischen den beiden Kurven 38 und 40 ein
Schnittpunkt 42 bei einer zugehörigen Gemischvertrimmung des
Zylinders 4 von 1,03.
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Die
drei Kurven 38, 39 und 40, die den grafischen
Zusammenhang zwischen einer Gemischvertrimmung (Achse 36)
eines bestimmten Zylinders und des sich dadurch ändernden
Laufunruhewertes (Achse 37) zeigen, können mit
sehr guter Näherung durch eine Parabel zweiter Ordnung
angenähert werden, wobei für die Bestimmung der
numerischen Parameter der Parabel drei Messpunkte ausreichend sind. Üblicherweise
werden diese Messpunkte ermittelt, wenn keine Vertrimmung und eine
konstante Anfettung und Abmagerung eines bestimmten Zylinders eingestellt
sind.
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Die
Parabeln 38, 39 und 40 von abmagerndem
und anfettenden Zylindern 0, 2 und 4 schneiden sich jeweils bei
der aktuellen Gemischabweichung der jeweiligen Zylinder zueinander
in den Schnittpunkten 41 und 42. Diese Schnittpunkte 41 und 42 stellen
somit das gesuchte Maß für die Abweichung der
Zylinder 0, 2 und 4 untereinander dar.
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Da
jedoch nicht bekannt ist, welche Zylinder um wie viel voneinander
abweichen, kann für die Bestimmung des Einflusses auf das
Abgasverhalten des Motors die mittlere quadratische Abweichung der Schnittpunkte 41 und 42 voneinander
bestimmt werden. Diese korreliert mit den Abgaswerten des Motors
und kann daher zur Onboard-Diagnose herangezogen werden. Neue Diagnosevorschriften
in den USA schreiben eine solche Diagnose vor, und dass ein Überschreiten
des 1,5-fachen Schadstoffgrenzwerts dem Fahrer angezeigt wird.
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4 zeigt
einen Algorithmus 43, mit dessen Hilfe Gemischabweichungen
von Zylindern einer Brennkraftmaschine zur Erfüllung von
Diagnosevorschriften bestimmt werden.
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In
einem ersten Schritt wird in einem Funktionsblock 44 eine
Gemischvertrimmung an einem bestimmten Zylinder, in diesem Fall
am Zylinder 4, durchgeführt, wie dies auch in 2,
Kurve 28, dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung
beschrieben ist. In einem nächsten Schritt wird in einem Funktionsblock 45 eine
Laufunruhemessung an allen Zylindern einer Motorbank, in diesem
Fall der Zylinder 0, 2 und 4, durchgeführt, um eine in
Folge der Gemischvertrimmung im Funktionsblock 44 eingetretene
Laufunruheänderung festzustellen.
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Gemessen
wird ein (in 2 nicht gezeigtes) ungefiltertes
Laufunruhesignal 46, das im folgenden Schritt in einem
Funktionsblock 47 einer Filterung unterzogen wird und zu
den Kurven 32, 33 und 34 der 2 führt.
In einem nachfolgenden Funktionsblock 48 werden die Koeffizienten
der drei Parabeln 38, 39 und 40 der 3 für
alle drei Zylinder 0, 2 und 4 bestimmt. Aus den Koeffizienten der
Parabeln lassen sich in einem nachfolgenden Funktionsblock 49 zwei
relevante Schnittpunkte 41, 42 der drei Parabeln
ermitteln, im vorliegenden Fall die Schnittpunkte der Parabel 38 für
den vertrimmten Zylinder 4 mit der Parabel 40 des λ-geregelten
Zylinders 0 und der Parabel 39 des λ-geregelten
Zylinders 2. Aus den Schnittpunkten 41, 42 wird
in einem nachfolgenden Funktionsblock 50 für jeden
Zylinder 0, 2 und 4 eine Abweichung der tatsächlichen Gemischzusammensetzung
von der erwünschten Gemischzusammensetzung λ =
1 bestimmt, wie dies in einem Berechnungsblock 51 gezeigt
wird.
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Aus
den Koeffizienten der Parabeln (Funktionsblock 48), den
Werten der Schnittpunkte 41, 42 und ihres Mittelwertes
wird in einen nachfolgenden Funktionsblock 52 eine mittlere
quadratische Abweichung der Schnittpunkte 41, 42 voneinander
bestimmt, wie dies in einem Berechnungsblock 53 gezeigt
wird.
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Die
mittlere quadratische Abweichung der Schnittpunkte 41, 42 voneinander
korreliert hierbei mit den Abgaswerten des Motors, was durch einen Funktionsblock 54 symbolisiert
ist, und stellt somit ein Maß für die Abgasqualität
des Motors dar, symbolisiert durch einen Funktionsblock 55.
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Ist
die Abweichung der Gemischzusammensetzung bestimmter Zylinder untereinander
nach dem oben geschriebenen Verfahren ermittelt worden, kann durch
gezielte Korrektur der jeweiligen Einspritzmengen die Gemischabweichung
behoben werden, wodurch der Motor die Abgasgrenzwerte wieder einhalten
kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10115902
C1 [0002]
- - DE 102005044544 A1 [0017, 0025]