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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Atmosphärendrucksignals
während des
Betriebes von Turbomotoren ohne Nutzung eines separaten Atmosphärendrucksensors.
Das Verfahren ist insbesondere beim Betrieb von Bi-Turbo-Systemen anwendbar.
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Stand der Technik
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Bei
der sogenannten Aufladung durch Turbolader wird die einem Verbrennungsmotor
zugeführte Luft
vorverdichtet, um die Luftmenge zu erhöhen, die in einen vorgegebenen
Hubraum einströmen
kann. Das geschieht in erster Linie zu dem Zweck, die stöchiometrisch
umsetzbare zu dieser Luftmenge gehörende Treibstoffmenge ebenfalls
zu erhöhen,
um die pro Hub freigesetzte Energiemenge zu steigern und die hubraumbezogene
Leistungsdichte derart betriebener Motoren zu steigern.
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Für einen
effektiven und sauberen Betrieb des Motors ist es erforderlich,
die zur Befriedigung einer bestimmten Drehmomentanforderung umzusetzende
Kraftstoffmenge möglichst
genau mit einer zur ihrer Umsetzung erforderlichen Luftmenge zu
mischen, was die genaue Kenntnis des anstehenden Atmosphärendruckes
voraussetzt, von dem bei einer Turboladung als Basisdruck auszugehen
ist.
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In
modernen Motorsteuerungen ist es außerdem üblich, ein Atmosphärendrucksignal
in verschiedene Korrekturalgorithmen einzubeziehen, die Einfluss
auf den Ansteuerbeginn, die Systemmenge, den Ladedruck und andere
Betriebsparameter eines elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotors
haben. Um die Betriebsparameter sich ändernden Erfordernissen, die
durch Umgebungsbedingungen vorgegeben werden, anpassen zu können, ist
eine Kenntnis des Atmosphärendruckes
unabdingbar.
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Es
ist bekannt, ein Atmosphärendrucksignal bereitzustellen,
indem ein Drucksensor auf einer Platine im Steuergerät eines
Verbrennungsmotors vorgesehen ist, welcher zur Messung des Atmosphärendruckes
genutzt wird. Ein Nachteil derartiger Systeme liegt neben dem Aufwand
für einen
separaten Drucksensor in der Fehleranfälligkeit der Atmosphärendrucksensoren.
Die Unterbringung eines Atmosphärendrucksensors
auf einer Platine innerhalb des Motorsteuergerätes führt im Falle eines Defekts
des Atmosphärendrucksensors
aufgrund der heute etablierten Service- und Reparaturvorgaben häufig zum Ersatz
der gesamten Platine oder gar des gesamten Steuergerätes, was
relativ hohe Reparaturkosten nach sich zieht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung vermeidet diesen Nachteil, indem sie auf die Verwendung
eines separaten Atmosphärendrucksensors
verzichtet. Die Erfindung geht dabei davon aus, dass in einem Antriebssystem
mit einem turbogeladenen Verbrennungsmotor ohnehin weitere Drucksensoren
vorhanden sind, die in erster Linie der Überwachung anderer im System
anstehenden Betriebsdrücke
dienen. Beispielsweise ist zur korrekten Steuerung eines Turbomotors
die Kenntnis des jeweils hinter dem Turbolader anstehenden Ladedruckes
erforderlich, weshalb Turbomotoren in der Regel über Ladedrucksensoren verfügen, die
der Gewinnung dieser Ladedruckinformationen dienen.
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Die
Erfindung geht des weiteren davon aus, dass an derartigen Drucksensoren,
die während
des Motorbetriebes in erster Linie der Erfassung von vom Atmosphärendruck
abweichenden Betriebsdrücken innerhalb
eines Motorsystems dienen, während
bestimmter Betriebszustände
des Motors der Atmosphärendruck
unmittelbar an diesen Sensoren anliegt. Die Erfindung geht des weiteren
davon aus, dass der ein Fahrzeug umgebende Atmosphärendruck
keine sich sprunghaft ändernde
physikalische Größe darstellt,
weshalb es genügt,
einen gewonnenen Messwert des Atmosphärendruckes von Zeit zu Zeit
zu aktualisieren, ohne dadurch steuerungsrelevante Genauigkeitseinbußen in Kauf
nehmen zu müssen.
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Die
Erfindung nutzt mindestens einen Ladedrucksensor, der sich strömungstechnisch
hinter einer die Ladeluft komprimierenden Baugruppe befindet, um
während
bestimmter Betriebsmodi des Verbrennungsmotors, in denen an diesem
Ladedrucksensor der Atmosphärendruck
anliegt, aus dem Ausgangssignal dieses Ladedrucksensors ein Atmosphärendrucksignal
zu generieren. Die Abfrage des Ladedrucksensors kann zu diesem Zwecke
in einem von der Motorsteuerung festgelegten Zeitfenster erfolgen,
in dem das Vorliegen eines Betriebsmodus des Verbrennungsmotors
erkannt wurde, in dem ein Anliegen des Atmosphärendruckes an dem zur Messung
des Atmosphärendruckes
vorgesehenen Ladedrucksensor erwartet werden kann.
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Die
Erfindung besteht allgemein in einem Verfahren zur Gewinnung eines
Atmosphärendrucksignals
während
des Betriebes eines Turbomotors, bei dem ein Motorbetriebszustand
ermittelt wird, in dem an einem Ladedrucksensor, der strömungstechnisch
hinter einer komprimierenden Baugruppe eines Turbo-Laders angeordnet
ist, Atmosphärendruck
anliegt, wobei während
des Vorliegens dieses Motorbetriebszustandes das Ausgangssignal
dieses Ladedrucksensors erfasst und als Atmosphärendrucksignal interpretiert
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders gut geeignet, um aus zumindest einem Ausgangssignal
eines Ladedrucksensors innerhalb eines Bi-Turbo-Systems ein Atmosphärendrucksignal
zu generieren. Bei derartigen Systemen handelt es sich um Motoren,
bei denen zwei Turbolader in strömungstechnischer
Parallelschaltung verwendet werden, wobei mehrere Ladedrucksensoren
umfasst sein können,
um in beiden Strömungszweigen
eine definierte Einstellung und Steuerung des Ladedruckes vornehmen
zu können
oder zumindest einen effektiven La dedruck, der motorseitig zur Verfügung stehen
bzw. bekannt sein muss, durch ein geeignet angesteuertes Zusammenwirken
der beiden Turbolader zu garantieren. Dabei werden die beiden Turbolader
häufig
nicht gleichzeitig betrieben. Vorzugsweise läuft bei niedriger Last und
Motordrehzahl lediglich ein Turbolader mit, wobei sich der Motor
dann im sogenannten Monoturbobetrieb befindet. Der zweite Turbolader
wird durch die Ladedruckregelung bei Bedarf zumeist bei höherer Last
und Motordrehzahl zugeschaltet. Erst dann befindet sich der Motor
im sogenannten Biturbobetrieb.
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Neben
einem allgemeinen Ladedrucksensor, strömungstechnisch häufig nach
einem Ladeluftkühler
und einer Drosselklappe angeordnet, wird in derartigen Systemen
zusätzlich
zumindest der Ladedruck unmittelbar nach der komprimierenden Baugruppe
des zweiten Turboladers gemessen. Während des Vorliegens bestimmter
Betriebsmodi ist der zweite Turbolader ganz oder weitgehend außer Betrieb.
Da die komprimierende Baugruppe, also beispielsweise ein Kompressor,
mit der Umgebungsluft über
bestimmte Ansaugwege in Verbindung steht und funktionsbedingt eine
gewisse Durchlässigkeit aufweist,
wird in Betriebsmodi, in denen der zweite Turbolader außer Betrieb
gesetzt ist, unmittelbar hinter der komprimierenden Baugruppe weitgehend
Atmosphärendruck
herrschen, der durch einen dort angeordneten Ladedrucksensor erfindungsgemäß abgefragt
werden kann, wodurch ein separater Atmosphärendrucksensor überflüssig wird.
Der damit verbundene Vorteil liegt neben der Einsparung eines separaten
Bauteils in Form eines Atmosphärendrucksensors
in einer gegenüber
dem Stand der Technik deutlich verringerten Fehleranfälligkeit
des Motorsteuergerätes.
Elf Ersatz eines Motorsteuergerätes aufgrund
eines defekten Atmosphärendrucksensors kann
nicht mehr erforderlich werden. Des weiteren sind strömungstechnisch
nach Turboladern angeordnete Ladedrucksensoren wesentlich einfacher
zugänglich
und somit günstiger
austauschbar.
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Es
kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Messwert des Atmosphärendruckes
in einem Speicher abgelegt und ständig verfügbar gehalten wird, wobei der
Messwert möglichst
genau sein soll. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn dieser Messwert
regelmäßig überschrieben
wird, sobald das Ausgangssignal des Ladedrucksensors erfindungsgemäß erfasst
und als Atmosphärendrucksignal
interpretiert wird. Zwischen zwei Messungen des Atmosphärendruckes
wird der jeweils letzte gültige Wert
eingefroren und für
alle Korrekturfunktionen benutzt, in die der Wert des Atmosphärendruckes
einfließen
muss.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders vorteilhaft in Bi-Turbo-Systemen anwendbar, da aufgrund
des unterschiedlich häufigen
Zuschaltens der beiden Turbolader relativ häufig Betriebszustände auftreten,
in denen zumindest unmittelbar hinter dem zweiten Turbolader Atmosphärendruck
herrscht, der durch den Ladedrucksensor entsprechend ermittelt werden
kann. Auf diese Weise wird eine relativ fein gestaffelte Aktualisierung
des jeweils herrschenden Atmosphärendrucks
möglich,
was insbesondere bei einem relativ schnellen Wechsel zwischen unterschiedlichen
Höhenlagen
einen erheblichen Vorteil darstellt. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren
jedoch in jedem Turbomotor anwendbar, wenn Betriebszustände auftreten,
in denen keine Verdichtung der Ladeluft erfolgt, also an einem Ladedrucksensor,
der strömungstechnisch
einem Turbolader nachgeordnet ist, zumindest kurzzeitig Atmosphärendruck
anliegt und derartige Betriebszustände zeitlich mit einer entsprechenden
Abfrage des Ladedrucksensors korrelieren.
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Vorteilhafterweise
kann die Ermittlung des Motorbetriebszustandes, in dem an einem
Ladedrucksensor eines Turbo-Laders Atmosphärendruck anliegt, durch das
Motorsteuergerät
erfolgen, da dort ohnehin zahlreiche Messwerte von Motor- und Fahrzeugparametern
sowie unterschiedliche Stellgrößen zur
Verfügung
stehen und verarbeitet werden. Die Ermittlung des Motorbetriebszustandes,
in dem an einem Ladedrucksensor eines Turbo-Laders Atmosphärendruck
anliegt, kann vorteilhafterweise durch eine Auswertung des Fahrerwunsches
erfolgen.
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Es
ist bei bestimmten Motorbetriebszuständen außerdem vorteilhaft, wenn nach
der Ermittlung eines Motorbetriebszustandes, in dem am für die Messung
des Atmosphärendruckes
zu verwendenden Ladedrucksensor Atmosphärendruck erwartet wird, eine
vorgegebene Zeitspanne gewartet wird, bevor das Ausgangssignal des
Ladedrucksensors erfasst und als Atmosphärendrucksignal interpretiert wird, damit
sich am Messort ein stabiler Druck einstellen kann. Das ist insbesondere
von Vorteil, wenn der Eintritt in den jeweiligen Betriebszustand
mit einem Wechsel der Ansteuerung eines Turboladers verbunden ist,
dessen Funktion die Druckverhältnisse
an dem Ladedrucksensor beeinflusst, an dem die Messung des Atmosphärendruckes
erfolgen soll.
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Zur
erfindungsgemäßen Verwertung
des Ausgangssignals eines Ladedrucksensors zur Messung des Atmosphärendruckes
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dieses Ausgangssignal
nicht durch einen Filter beeinflusst wird, sondern der Rohwert direkt
berücksichtigt
wird. Ist es zum Zwecke der Ladedruckregelung dennoch notwendig
das Ausgangssignal zu filtern, so kann in der Software eine Abzweigung
vor dem Filter eingebaut werden, um den ungefilterten Rohwert verfügbar zu
halten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motorsteuergerät zur Gewinnung eines Atmosphärendrucksignals
während
des Betriebes eines Turbomotors vorgesehen, wobei das Motorsteuergerät ausgebildet
ist, um einen Motorbetriebszustand festzustellen, bei dem an einem
Ladedrucksensor, der strömungstechnisch
hinter einer komprimierenden Baugruppe eines Turbo-Laders angeordnet
ist, Atmosphärendruck
anliegt, und um während
des Vorliegens dieses Motorbetriebszustandes das Ausgangssignal dieses
Ladedrucksensors zu erfassen und als Atmosphärendrucksignal zu interpretieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird an Ausführungsbeispielen
im Folgenden näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
allgemeinen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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2 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäß zu betreibenden Bi-Turbo-Systems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
einen allgemeinen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt
S1 wird durch Auswertung verschiedener Messwerte von Motor- und
Fahrzeugparametern sowie unterschiedlichen Stellgrößen, die
eindeutig mit dem jeweiligen Motorbetriebszustand verknüpft sind, geprüft, ob der
aktuelle Motorbetriebszustand für eine
Messung des Atmosphärendruckes
durch einen Ladedrucksensor geeignet ist. Die zu berücksichtigenden
Eingangsgrößen sind
mit P1 bis Pn bezeichnet.
Im negativen Fall wird die Prüfung
S1 wiederholt, wobei stets aktualisierte Eingangsgrößen P1 bis Pn verwendet
werden. Wird ein Motorbetriebszustand, der für eine Messung des Atmosphärendruckes durch
einen Ladedrucksensor geeignet ist, festgestellt, so wird in einem
zweiten Schritt S2 geprüft,
ob es erforderlich ist, in dem speziell festgestellten Motorbetriebszustand
eine Zeitverzögerung
abzuwarten, bevor die eigentliche Werterfassung erfolgen kann. Wird
das als erforderlich bestimmt, wird in S3 diese Verzögerung eingehalten,
bevor in einem vierten Schritt S4 die Erfassung des Ausgangssignals des
erfindungsgemäß für die Messung
des Atmosphärendruckes
vorgesehenen Ladedrucksensors erfolgt. Dieses Ausgangssignal wird
als Messwert des Atmosphärendruckes
interpretiert. Bei Feststellung bestimmter Motorbetriebszustände kann
die Verzögerung
in S3 entfallen und sofort nach Detektion eines Motorbetriebszustandes,
in dem am entsprechenden Ladedrucksensor Atmosphärendruck erwartet wird, zur
Erfassung des Ausgangssignals, also zu S4, übergegangen werden.
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Daran
anschließen
können
sich verschiedene Stufen einer Signalverarbeitung und/oder Weiterleitung,
auf die es zur Erläuterung
der Erfindung jedoch nicht näher
ankommt. Beispielhaft erfolgt in einem fünften Schritt S5 eine Aktualisierung
eines in einem Speicher permanent verfügbar gehaltenen Atmosphärendruckwertes.
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2 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäß zu betreibenden Bi-Turbo-Systems.
In einem verzeigten Abgasstrang eines Verbrennungsmotors 1 führen zwei
parallele Strömungswege 2, 3 über Turbinen 4, 5 von zwei
Turboladern. Wird ein Abgasmassenstrom über die Turbinen 4 und/oder 5 geführt, so
treiben diese jeweils eine komprimierende Baugruppe 6, 7 der
Turbolader, vorliegend als Kompressoren ausgeführt, an. Die komprimierenden
Baugruppen 6, 7 sind ebenfalls in parallelen Strömungswegen 8, 9 angeordnet,
in denen die Aufladung der dem Verbrennungsmotor 1 zuzuführenden
Luft erfolgt. Nach der Aufladung passiert die Ladeluft einen Ladeluftkühler 10,
eine Drosselklappe 11 und einen Ladedrucksensor 12,
bevor sie dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt wird. Über einen Ladedrucksteller 13 kann
geregelt werden, welcher Teil des Abgasmassenstromes über die
Turbine 5 des zweiten Turboladers geleitet wird und somit
dessen Kompressor 7 antreibt und zur Aufladung beiträgt. Zur
besseren Steuerbarkeit eines derartigen Bi-Turbo-Systems befindet
sich strömungstechnisch unmittelbar
hinter der komprimierenden Baugruppe 7 des zweiten Turboladers
ein weiterer Ladedrucksensor 14. Dieser weitere Ladedrucksensor 14 in
unmittelbarer Nähe
des zweiten Turboladers kann erfindungsgemäß für die Messung des Atmosphärendruckes
genutzt werden. Die Steuerung des Systems erfolgt durch ein Motorsteuergerät 15.
Ein Ventil 16 kann die komprimierende Baugruppe 7 des
zweiten Turboladers im Monoturbobetrieb vom Ladeluftstrom trennen,
wobei in der Regel ein Rezirkulationsventil 17 in einer
entsprechenden Rezirkulationsleitung geöffnet wird. Auch dadurch wird
gesichert, dass in diesem Betriebszustand am Ladedrucksensor 14 weitgehend
Atmosphärendruck
anliegt. Im Biturbobetrieb gilt für die Ventile 16, 17 der
komplementäre Öffnungszustand.
Alle folgenden Erklärungen
beziehen sich auf das dargestellte Beispielsystem.
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Es
hat sich gezeigt, dass das Ausgangssignal dieses Ladedrucksensors 14 besonders
gut zur Ermittlung des Atmosphärendruckes
geeignet ist, wenn Motorbetriebszustände vorliegen, die üblicherweise
in den nachfolgenden Fahrsituationen eingenommen werden. In diesen
Fällen
haben Messungen gezeigt, dass das Ausgangssignal des Ladedrucksensors 14 den
gleichen Messwert liefert, den auch ein herkömmlich platzierter Atmosphärendrucksensor
liefert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Anwendung in den
folgenden Fahrsituationen begrenzt.
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Im
normalen Fahrbetrieb ist zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorteilhaft, wenn der Motor in einer Weise im Teillastbetrieb gefahren wird,
dass er sich im Monoturbobetrieb befindet. Der Ladedrucksteller 13 des
zweiten Turboladers ist in diesem Fall geschlossen, d. h. es wird
kein Abgasmassenstrom über
die Turbine 5 des zweiten Turboladers geleitet. Die Position
des Ladedruckstellers 13 befindet sich oberhalb einer definierten
Stellerposition, die ein vollständiges
Schließen
des Ladedruckstellers 13 gewährleistet. Die Stellerposition
bildet eine der Eingangsgrößen P1 bis Pn, kann entweder detektiert
oder aus der Art der Ansteuerung des Ladedruckstellers 13 abgeleitet
werden und steht im Motorsteuergerät als Information zur Verfügung. Wird also
beispielsweise nach einem Lastwechsel durch einen geänderten
Fahrerwunsch derart ein Monoturbobetrieb festgestellt, kann nach
Ablauf einer kalibrierbaren Verzögerungszeit
die Erfassung des Ausgangssignals des Ladedrucksensors 14 erfolgen
und dieses als Atmosphärendrucksignal
interpretiert werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit
zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich, wenn sich der Motor im Leerlaufbetrieb befindet. Für eine korrekte
Messung des Atmosphärendrucks durch
den Ladedrucksensor 14 müssen drei Bedingungen erfüllt sein.
Die Fahrzeuggeschwindigkeit muss unterhalb einer definierten Grenzgeschwindigkeit
liegen. Die Motordrehzahl muss unterhalb einer definierten Drehzahl
liegen und die eingespritzte Systemmenge darf eine definierte Leerlauf-Einspritzmenge
nicht übersteigen.
Es wird so zumindest gewährleistet,
dass der Turbine 5 des zweiten Turboladers sehr wenig Energie
zugeführt
wird. Ein vollständiges
Schließen
des Ladedruckstellers 13 ist nicht notwendig. Die Fahrzeuggeschwindigkeit,
die Motordrehzahl und die eingespritzte Systemmenge gehören ebenfalls
zu den Eingangsgrößen P1 bis Pn, können entweder
detektiert oder aus der Motorsteuerung abgeleitet werden und stehen
im Motorsteuergerät als
Information zur Verfügung.
Ein- und Ausschaltbedingungen hinsichtlich der Motordrehzahl und
der eingespritzten Systemmenge erfolgen jeweils über eine Hysterese. Eine zeitliche
Verzögerung
der Messung ist in diesem Fall nach dem Erkennen des für die Messung
des Atmosphärendruckes
geeigneten Motorbetriebszustandes nicht erforderlich.
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Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit
zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich im Schubbetrieb. Für
eine korrekte Messung des Atmosphä rendrucks durch den Ladedrucksensor 14 müssen wiederum
drei Bedingungen erfüllt
sein. Die eingespritzte Systemmenge muss null sein, es wird also
kein Kraftstoff eingespritzt. Außerdem muss die Motordrehzahl
oberhalb einer definierten Grenzdrehzahl liegen. Weiterhin sollte
kein Schaltvorgang erfolgen, da hierbei die Vorgaben für die Ladedruckregelung
und Momentenbereitstellung Vorrang haben. Der Getriebestatus bildet
also eine weitere der Eingangsgrößen P1 bis Pn. Sind die
drei genannten Bedingungen erfüllt,
wird für
eine kalibrierbare Zeit der Ladedrucksteller 13 des zweiten
Turboladers geschlossen, so dass kein Abgasmassenstrom über die zweite
Turbine 5 geleitet wird und die Messung kann mit einer
entsprechenden zeitlichen Verzögerung
erfolgen.
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Da
es sich bei diesen drei beschriebenen Fahrzuständen um im normalen Fahrzeugbetrieb
relativ häufige
Fahrzustände
handelt, wird bereits durch eine erfindungsgemäße Messung des Atmosphärendruckes
während
dieser Fahrzustände
gewährleistet,
dass unter allen Fahrbedingungen eine zureichende Aktualisierung
des Atmosphärendrucks erfolgen
kann, die beispielsweise für
notwendige Korrekturen von Einspritzparametern notwendig sind.