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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner
ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie
eine Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der nebengeordneten
Patentansprüche.
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Vom
Markt her sind beispielsweise Diesel-Brennkraftmaschinen bekannt,
bei denen der Kraftstoff von einem Injektor direkt in einen ihm
zugeordneten Brennraum eingespritzt wird. Der Injektor ist an einen
Hochdruckspeicher ("Rail") angeschlossen, in dem der Kraftstoff
unter hohem Druck gespeichert ist. Der Injektor wird von einem Steuergerät
derart angesteuert, dass er, üblicherweise innerhalb eines
Arbeitsspiels während des Kompressionstaktes, den zur Verbrennung
vorgesehenen Kraftstoff in den Brennraum reinspritzt.
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Aufgrund
von Fertigungstoleranzen kann sich das tatsächliche Steuerverhalten
eines Injektors von dem für die Ansteuerung angenommenen
Steuerverhalten unterscheiden. Ferner kann sich das Betriebsverhalten
des Injektors im Laufe der Zeit auf Grund von Verschleiß ändern.
Dies kann beispielsweise dazu führen, dass die tatsächlich
eingespritzte Kraftstoffmenge nicht der an sich gewünschten
Kraftstoffmenge entspricht. Bekannt sind daher Verfahren, mit denen
die eingespritzte Kraftstoffmenge korrigiert werden kann. Hierzu
wird das durch die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes erzeugte Drehmoment
zylinderindividuell ermittelt beziehungsweise erfasst, mit einem
Sollwert verglichen und gegebenenfalls eine Korrekturgröße
für das Ansteuersignal des Injektors gebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem ein besonders emissionsarmer und Kraftstoff sparender Betrieb
einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine,
ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Weitere Lösungen sind in den nebengeordneten
Patentansprüchen angegeben, die ein Computerprogramm, eine Steuer-
und/oder Regeleinrichtung und eine Brennkraftmaschine betreffen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich darüber
hinaus in der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Merkmale sowohl
in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für
die Erfindung wichtig sein können, ohne das hierauf jeweils
explizit hingewiesen wird.
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Dank
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zum ersten
Mal möglich, das Zeitverhalten des Injektors wenigstens
indirekt zu ermitteln. Damit erhält man eine wertvolle
Information über das aktuelle Betriebsverhalten des Injektors,
die auf ganz unterschiedliche Art und Weise genutzt werden kann.
Das Verfahren kann dabei, beispielsweise bei einer in ein Kraftfahrzeug
eingebauten Brennkraftmaschine, sowohl während eines Werkstattaufenthaltes
durchgeführt werden, als auch während des normalen
Betriebs, wenn über einen gewissen Zeitraum wenigsten in
etwa stationäre Betriebsbedingungen herrschen.
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Grundlage
des erfindungsgemäßen Verfahren ist die Überlegung,
dass sich der Zeitpunkt des Beginns einer Einspritzung auf das bei
der nachfolgenden Verbrennung entwickelte Drehmoment auswirkt. Bei
jeder Brennkraftmaschine gibt es eine bestimmt Winkellage des Einspritzbeginns
relativ zum oberen Totpunkt des dem betrachteten Brennraum zugeordneten
Kolbens, bei dem das erzeugt Drehmoment maximal ist. Dieses Drehmomentmaximum wird
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst beziehungsweise
abgeschätzt und die zugehörige Lage des Beginns
der Ansteuerung des Injektors (wirkungsoptimaler Einspritzbeginn)
ermittelt.
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Die
Kenntnis vom aktuellen Zeitverhalten des Injektors kann beispielsweise
für eine Überwachung der Betriebstoleranzen des
Injektors verwendet werden. Möglich ist aber auch, dass
das Verfahren zusätzlich noch folgenden Schritt umfasst:
Ermitteln einer Korrekturgröße für die
Steuergröße derart, dass in einem Normalbetrieb
der tatsächliche Einspritzbeginn mindestens in etwa dem
wirkungsoptimalen Einspritzbeginn entspricht. Hierdurch kann das
Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden. Wird
das Verfahren immer wieder durchgeführt, kann darüber
hinaus ein gutes Emissionsverhalten über die gesamte Lebensdauer
der Brennkraftmaschine realisiert werden.
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Eine
einfache Möglichkeit, das maximale relative Drehmoment
oder die entsprechende Größe abzuschätzen,
besteht darin, die Steigungen zwischen bei extrem früher
und bei extrem später Einspritzung erhaltenen Werten zu
interpolieren. Dies bedeutet, dass der Schnittpunkt der beiden Steigungsgeraden
die zeitliche Lage jener Steuergröße wenigstens
näherungsweise angibt, die dem wirkungsoptimalen Einspritzbeginn
entspricht.
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Eine
ebenfalls einfache und damit kostengünstig realisierbare
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass als Größe, die einem einspritzungsindividuellen
Drehmoment entspricht, eine Winkelbeschleunigung einer Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine verwendet wird.
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Besonders
bevorzugt ist jene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei der die Ermittlung des einspritzungsindividuellen
Drehmoments eine innerhalb eines Arbeitsspiels bei der Einspritzung
in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge berücksichtigt
wird. Wie bereits oben ausgeführt wurde, setzt das Verfahren
zur Ermittlung des wirkungsoptimalen Einspritzbeginns an sich möglichst
stationäre Betriebsbedingen voraus, zu denen eine während
des Testbetriebs konstante eingespritzte Kraftstoffmenge gehören
würde. Dies ist im realen Betrieb nur schwer zu realisieren,
insbesondere dann, wenn der Testbetrieb bei geringer Last und entsprechend
geringen Einspritzmengen durchgeführt wird. Hier kann es
beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen trotz einer im
Hinblick auf die einzuspritzende Kraftstoffmenge konstanten Steuergröße
zu Streuungen der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge
kommen. Darüber hinaus hat auch der im Brennraum herrschende
Druck (Brennraumgegendruck) einen Einfluss auf die tatsächlich
eingespritzte Kraftstoffmenge.
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Aufgrund
der zeitlichen Variation des Einspritzbeginns und der hierdurch
provozierten Drehmomentänderung variiert nämlich
der Brennraumgegendruck. Wird nun, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird, eine innerhalb eines Arbeitsspiels bei der Einspritzung in
den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge bei der Ermittlung des
einspritzungsindividuellen Drehmoments berücksichtigt,
kann der Einfluss einer Mengenvariation des eingespritzten Kraftstoffes
auf das Drehmoment zumindest näherungsweise eliminiert
werden. Hierdurch steigt die Genauigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens, was wiederum dem Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine
zu Gute kommt.
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Ein
beispielsweise von Mengenausgleichsregelungen bekanntes und einfach
zu realisierendes Verfahren zur Ermittlung der innerhalb eines Arbeitsspiels
bei der Einspritzung in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge
beruht auf der Verwendung eines Lambda-Wertes oder einer entsprechenden Größe
und einer zugeführten Luftmasse oder entsprechenden Größe.
Ein solches Verfahren ist in der
DE 100 62 895 A1 beschrieben. Beide Größen
stehen bei üblichen Brennkraftmaschinen normalerweise ohnehin
zur Verfügung, da sie für zahlreiche andere Steuer-
und Regelungsverfahren der Brennkraftmaschine benötigt
werden.
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Alternativ
hierzu oder auch zusätzlich ist es möglich, die
innerhalb eines Arbeitsspiels bei der Einspritzung in den Brennraum
eingespritzte Kraftstoffmenge unter Berücksichtung eines
Brennraumdrucks zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweiße
eine Kennlinie verwendet werden, die zuvor für den spezifischen
Brennkraftmaschinentyp und den Betriebszustand, der für
den Testbetrieb typisch ist, in einem Laborversuch ermittelt wurde.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Diagramm, in dem ein Ansteuersignal eines Injektors der Brennkraftmaschine
von 1 über einem Kurbelwinkel einer Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine von 1 aufgetragen
ist;
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3 ein
Diagramm ähnlich 2, jedoch für
den Hub eines Ventilelements des Injektors der Brennkraftmaschine
von 1;
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4 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1;
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5 ein
Diagramm, in dem ein zylinderindividuelles Drehmoment über
einem Ansteuerbeginn und über einer eingespritzten Kraftstoffmenge
aufgetragen ist und
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6 ein
Diagramm, indem ein Lambda-Wert über dem Ansteuerbeginn
und der eingespritzten Kraftstoffmenge aufgetragen ist.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Eine
Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Zylinder, von
denen in 1 jedoch nur einer mit dem entsprechenden
Brennraum 12 gezeichnet ist. Kraftstoff 14 wird
in den Brennraum 12 direkt durch einen Injektor 16 eingespritzt,
der mit einem Hochdruck-Kraftstoffsystem 18 verbunden ist.
Zu dem Hochdruck-Kraftstoffsystem 18 können beispielsweise
ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher ("Rail"), eine Hochdruck-Förderpumpe,
etc. gehören.
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Frischluft
wird dem Brennraum 12 über ein Einlassventil 20 und
ein Saugrohr 22 zugeführt. Die dem Brennraum 12 über
das Saugrohr 22 zugeführte Luftmasse wird von
einem HFM-Sensor 24 erfasst. Verbrennungsabgase werden
aus dem Brennraum 12 über ein Auslassventil 26 und
ein Abgasrohr 28 abgeführt. In letzterem ist ein
Oxidationskatalysator 30 angeordnet, an dessen Eingang
sich eine Lambda-Sonde 32 befindet.
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Der
Brennraum 12 werden unter anderem von einem Kolben 34 begrenzt,
der im Betrieb eine Kurbelwelle 36 in Drehung versetzt.
Die Drehgeschwindigkeit und die Drehbeschleunigung der Kurbelwelle 36 werden
mit hoher zeitlicher Auflösung von einem üblicherweise
als Geberrad ausgebildeten Kurbelwellensensor 38 erfasst.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 40 gesteuert und geregelt, auf der ein
Computerprogramm gespeichert ist, welches zur Anwendung verschiedener
Verfahren programmiert ist. Die Steuer- und Regeleinrichtung 40 erhält
unter anderem die Signale des HFM-Sensors 24, der Lambda-Sonde 32 und
des Kurbelwellensensors 38. Sie steuert unter anderem den
Injektor 16 mittels eines Ansteuersignals an, welches ganz
Allgemein auch als Steuergröße für den
Injektor 16 bezeichnet werden kann. Die vom Kurbelwellensensor 38 erfasste
Winkelbeschleunigung der Kurbelwelle 36 kann analog hierzu
ganz Allgemein als Betriebsgröße der Brennkraftmaschine 10 bezeichnet
werden.
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Bei
der Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um eine Dieselbrennkraftmaschine.
Bei dieser wird der Kraftstoff 14 vom Injektor 16 während
eines Kompressionstaktes innerhalb eines Arbeitspiels eines Zylinders
eingespritzt. Aufgrund der Kompression erwärmt sich das
im Brennraum 12 eingeschlossene Kraftstoff/Luftgemisch,
bis es schließlich zu verbrennen beginnt. Durch die hierdurch
bewirkte Druckerhöhung im Brennraum 12 wird der
Kolben 34 abwärts beschleunigt, was zu einer entsprechenden Drehbeschleunigung
der Kurbelwelle 36 führt, die wiederum vom Kurbelwellensensor 38 erfasst
wird. Aus dem Umfang der Drehbeschleunigung der Kurbelwelle 36 wird
in der Steuer- und Regeleinrichtung 40 ein Drehmoment ermittelt,
welches innerhalb eines Arbeitsspiels durch die Verbrennung des
eingespritzten Kraftstoffes im Brennraum 12 erzeugt wurde.
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Bei
angenommener konstanter eingespritzter Kraftstoffmenge hängt
das erzeugte Drehmoment in erheblichem Umfange von dem Zeitpunkt
ab, zu dem der Kraftstoff vom Injektor 16 in den Brennraum 12 eingespritzt
wird. Der Zeitpunkt der Einspritzung wird dabei üblicherweise
durch eine Winkellage des Einspritzbeginns relativ zum oberen Totpunkt
des Kolbens 34 zwischen Kompressions- und Expansionstakt
beschrieben. In jedem Betriebszustand gibt es einen wirkungsoptimalen
Einspritzbeginn, bei dem das erzeugte Drehmoment maximal ist, und
bei dem die erzeugten Emissionen minimal sind. Der Beginn der Ansteuerung
des Injektors 16 und der Einspritzbeginn liegen jedoch
aufgrund mechanischer und hydraulischer Randbedingungen nicht zusammen. Stattdessen
liegt der tatsächliche Einspritzbeginn immer etwas nach
dem Beginn des Ansteuersignals. Dieser Offset wird für
einen typischen Injektor 16 ermittelt und von der Steuer-
und Regeleinrichtung 40 beim Absetzten des Ansteuersignals
berücksichtigt.
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In 2 ist
ein typisches Ansteuersignal AS über dem Kurbelwinkel KW
aufgezeichnet. Der Ansteuerbeginn ist mit AS0 gekennzeichnet. In 3 ist ein
Hub H eines Ventilelements des Injektors 16 über dem
Kurbelwinkel KW aufgetragen, und jener Kurbelwinkel, bei dem das
Ventilelement öffnet und die Einspritzung tatsächlich
beginnt, ist mit EB0 bezeichnet. Der Offset, also die Winkeldifferenz
zwischen dem Ansteuerbeginn AS0 und dem Einspritzbeginn EB0, ist
in den 2 und 3 mit OS bezeichnet.
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Aufgrund
von Fertigungstoleranzen kann dieser Offset jedoch von einem Injektor 16 zum
anderen variieren, und darüber hinaus kann er sich bei demselben
Injektor 16 über dessen Lebensdauer verändern.
Dies könnte dazu führen, dass der tatsächliche
Einspritzungsbeginn nicht mehr dem wirkungsoptimalen Einspritzbeginn
entspricht, was einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und
ein verschlechtertes Emissionsverhalten zur Folge hätte.
Dem wird bei der Brennkraftmaschine 10 durch ein Verfahren begegnet,
welches nun insbesondere unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 erläutert
wird und welches als Computerprogramm auf einem Speicher der Steuer-
und Regeleinrichtung 40 gespeichert ist.
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Nach
einem Start in 42 (4) wird
die Brennkraftmaschine 10 in 44 in einen Testbetriebszustand
versetzt, in dem möglichst konstante Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine 10 eingehalten werden. In einem
solchen Testbetrieb 44 wird beispielsweise das Zu- und
Abschalten von Zusatzaggregaten unterbunden. In 46 wird
der Ansteuerbeginn AS0 (vergleiche 5) sukzessive
von einem Arbeitsspiel zum nächsten oder einer Gruppe von
Arbeitsspielen zur nächsten Gruppe von Arbeitsspielen von
einem frühen. Wert AS01 allmählich
zu einem späten Wert AS02 variiert.
Es wird also eine Vielzahl von Arbeitsspielen durchgeführt,
die sich durch den Ansteuerbeginn AS0 und in der Folge auch durch den
Einspritzbeginn EB0 unterscheiden. In 48 wird bei jedem
Arbeitsspiel das im Expansionstakt erzeugte, also einspritzungsindividuelle
Drehmoment mittels der vom Kurbelwellensensor 38 erfassten Winkelbeschleunigung
ermittelt. Somit ergibt sich am Ende des Testbetriebs eine Mehrzahl
von Wertepaaren, die durch einen Ansteuerbeginn AS0 und ein zugehöriges
Drehmoment M gekennzeichnet sind (vergleiche Polygonzug 50 in 5).
Die Wertepaare werden in 52 abgespeichert.
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In 54 wird
geprüft, ob das systematische Variieren des Beginns einer
Einspritzung durch zeitliches Variieren der entsprechenden Steuergröße
beendet werden kann, ob also Wertepaare aus dem gesamten sinnvollen
Variationsbereich vorliegen. Ist die Antwort nein, erfolgt ein Rücksprung
nach 46. Andernfalls wird in 56 eine Mengenkorrektur
des Drehmomentwerts der ermittelten Wertepaare durchgeführt,
es wird also die innerhalb eines Arbeitsspiels in den Brennraum
eingespritzten Kraftstoffmenge bei der Ermittlung des einspritzungsindividuellen
Drehmoments berücksichtigt. Dem liegt die Überlegung zu
Grunde, dass während des Testbetriebs und der Variation
des Ansteuerbeginns AS0 beziehungsweise des Einspritzbeginns EB0
das Drehmoment M nicht nur durch den tatsächlichen Einspritzbeginn EB0,
sondern auch durch die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge
Q beeinflusst werden kann.
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Der
Zusammenhang ist in 5 durch den Polygonzug 58 dargestellt,
aus dem ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen eingespritzter
Kraftstoffmenge Q und Drehmoment M hervorgeht. Zwar soll, wie bereits
oben ausgeführt worden ist, während des Testbetriebs 44 ein
möglichst stationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 herrschen,
eine Variation der Einspritzmenge Q während des Testbetriebs 44 und
der Variation des Ansteuerbeginns AS0 ist jedoch systembedingt nicht ganz
auszuschließen. Der im Brennraum 12 herrschende
Druck (Abgasgegendruck) hängt nämlich vom erzeugten
Drehmoment M ab, welches, wie aus 5 ersichtlich
ist, mit dem Ansteuerbeginn AS0 variiert. Der im Brennraum 12 herrschende
Druck beeinflusst wiederum die vom Injektor 16 eingespritzte Kraftstoffmenge
Q.
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Um
den Einfluss der Schwankung der eingespritzten Kraftstoffmenge Q
auf das Drehmoment M ermitteln zu können, muss zunächst
die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge Q ermittelt
werden. Hierzu werden die Signale einerseits des HFM-Sensors 24 und
andererseits der Lambda-Sonde 32 verwendet. Wie aus 6 und
der dort gezeigten Kurve 60 ersichtlich ist, ist der von
der Lambda-Sonde 32 erfasste Lambda-Wert von der eingespritzten
Kraftstoffmenge Q mit einem im Wesentlichen linearen Zusammenhang
abhängig, wohingegen der Ansteuerbeginn AS0 (Kurve 62)
keinen Einfluss auf den Lambda-Wert hat. Aus der Variation der eingespritzten
Kraftstoffmenge Q kann eine relative Änderung des Drehmoments
M ermittelt werden, anhand der der Drehmomentwert der in 52 abgespeicherten
Wertepaare korrigiert wird.
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Anhand
der korrigierten Wertepaare wird nun in 64 aus den Wertepaaren
eine entsprechende Kurve interpoliert (die vorliegend der Einfachheit
halber als identisch zum Polygonzug 50 angenommen wird),
und in 66 wird ein Hochpunkt dieser Kurve bestimmt. Hierzu
können übliche Verfahren zur Bestimmung von Maximalwerten
von Kurven verwendet werden (Steigung Null im Hochpunkt). Möglich
ist auch eine Abschätzung des Hochpunkts durch eine Interpolation
der Steigungsgeraden zwischen bei extrem früher und bei
extrem später Einspritzung erhaltenen Werten. Die Steigungsgeraden
sind in 5 mit 68 und 70 bezeichnet.
Der Schnittpunkt 71 dieser beiden Steigungsgeraden bezeichnet
näherungsweise die Lage des Maximums. Ist der Hochpunkt
des Polygonzugs 50 bekannt, kann hieraus die zeitliche Lage
bzw. Winkellage jenes Ansteuerbeginns AS0opt ermittelt
werden, die dem maximalen Drehmoment beziehungsweise dem Hochpunkt
des Polygonzugs 50 zugeordnet werden kann. Dieser Ansteuerbeginn AS0opt entspricht dem wirkungsoptimalen Einspritzbeginn,
bei dem das maximale Drehmoment erzeugt wird. In 74 wird
nun eine Korrekturgröße für den Ansteuerbeginn
AS0 so festgelegt, dass auch in einem Normalbetrieb der tatsächliche
Einspritzbeginn dem wirkungsoptimalen Einspritzbeginn entspricht.
Das Verfahren endet in 76.
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Es
versteht sich, dass das im Zusammenhang mit den 4 bis 6 beschriebene
Verfahren für jeden Injektor 16 der Brennkraftmaschine 10 einzeln
durchgeführt wird. Darüber hinaus sei an dieser
Stelle darauf hingewiesen, dass die Mengenkorrektur in 56 auch
anhand von Kennlinien beziehungsweise Kennfeldern durchgeführt
werden kann, mittels denen ein Korrekturmoment auf der Basis des
aktuellen Brennraumdrucks ermittelt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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