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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur
Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen
nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie
ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem
maschinenlesbaren Träger
gespeichert ist, zur Durchführung
des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Elektrochemische
Gassensoren in Form von Lambda-Sonden werden in großer Zahl
in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um für
die Motorsteuerung Signale über die
Abgaszusammensetzung bereitstellen zu können. Auf diese Weise kann
der Motor so betrieben werden, dass die Abgase eine optimale Zusammensetzung
für die
Nachbehandlung mit im Abgassystem heute üblicherweise vorhandenen Katalysatoren
aufweisen.
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In 1 ist
ein derartiger Gassensor dargestellt. Das Sensorelement 100 weist
ein Gaszutrittsloch 115 auf, durch welches Abgas einströmt und durch
eine Diffusionsbarriere 120 in einen Messraum 130 gelangt.
Eine erste Elektrode, auch als Außenelektrode oder äußere Pumpelektrode 150 bezeichnet,
ist an der Außenseite
des Festelektrolyten 110 und unter einer porösen Schutzschicht 155 angeordnet
dem Abgas einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine ausgesetzt.
In dem Messraum ist eine zweite Elektrode, auch als Innenelektrode
oder innere Pumpelektrode 140 bezeichnet, angeordnet. Ferner
ist eine Referenzelektrode 145 vorgesehen, die entweder
durch einen offenen Kanal zum Anschlusskontaktbereich oder durch
Anlegen einer Pumpspannung mit Sauerstoff versorgt wird.
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Zwischen
der inneren Pumpelektrode 140 und der äußeren Pumpelektrode 150 wird
eine Pumpspannung UP angelegt, sodass ein
Pumpstrom IP fließt. Eine Nernstspannung zwischen
innerer Pumpelektrode 140 und Referenzelektrode 145 und der
Pumpstrom IP werden in einer Schaltungseinheit, die
Teil eines Steuergeräts 190 ist,
erzeugt und ausgewertet, wobei der Pumpstrom IP so
eingeregelt wird, dass sich eine vorgebbare Soll-Nernstspannung zwischen innerer Pumpelektrode 140 und
Referenzelektrode 145 einstellt. In dem Festelektrolyten 110 ist
ferner eine in eine Isolationsschicht 162 eingebettete
Heizung 160 angeordnet. Durch diese Heizung 160 wird
das Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, die eine optimale Funktion
des Sensorelements 100 gestattet.
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Eine
planare Breitband-Lambda-Sonde nach dem Grenzstromprinzip kann auch
als Einzeller aufgebaut sein. Hierbei sind zwei Elektroden auf der
Abgasseite angeordnet. Zumindest die Kathode ist unter einer Diffusionsbarriere
angeordnet.
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Ferner
existieren Sonden nach dem Grenzstromprinzip, bei denen eine Elektrode
unter einer Diffusionsbarriere im Abgas angeordnet ist, während die
andere in einem Referenzluftkanal mit hohem Grenzstrom angeordnet
ist.
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Derartige
Breitband-Lambda-Sonden nach dem Grenzstromprinzip werden mit einer
festen Pumpspannung UP beaufschlagt. Die
feste Pumpspannung erzeugt bei einem mageren Abgas, d. h. bei einem
Abgas mit Luftüberschuss,
einen positiven Pumpstrom, der mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases
und dem Transport- bzw. Diffusionsweg des Sauerstoffs zur Kathode
eindeutig zusammenhängt.
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Das
Signal eines solchen Gassensors hängt nun neben der Abgaskonzentration
auch vom Absolutdruck ab. Diese Abhängigkeit wird als „statische Druckabhängigkeit" bezeichnet. Die
Kenntnis des Absolutdrucks ist für
eine Korrektur des Sondensignals sowie auch zur Realisierung anderer
Funktionen im Fahrzeug von Bedeutung. Um den Druck zu erfassen,
kann rein prinzipiell ein zusätzlicher
Drucksensor im Abgasbereich angeordnet werden. Die Anordnung eines
solchen Drucksensors ist jedoch nicht nur mit einem erhöhten Montageaufwand
und erhöhten Kosten
verbunden, ein solcher Drucksensor erfordert auch einen erhöhten Schaltungsaufwand
und er muss – da
er ein abgasrelevantes Teil ist – auch kontinuierlich auf Funktionsfähigkeit überwacht
werden, beispielsweise ob ein Defekt des Drucksensors vorliegt oder
eine Leitungsunterbrechung der Versorgungs- bzw. Signalleitungen des Drucksensors
aufgetreten ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines Gassensors zu vermitteln, welches nicht nur eine Erfassung der
Abgaskonzentration, sondern auch des Absolutdrucks auf technisch
einfach zu realisierende Weise ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung.
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors
zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten der eingangs beschriebenen
Art gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Grundidee
der Erfindung ist es, den Gassensor so zu betreiben, dass alleine
aufgrund der Sensorsignale des Gassensors auf den Absolutdruck geschlossen
werden kann. Hierzu sieht die Erfindung vor, den Gassensor bei Vorliegen
eines stöchiometrischen
oder mageren Gasgemisches im Abgas der Brennkraftmaschine, also
eines Gasgemisches mit Sauerstoffüberschuss, mit einer Pumpspannung
zu beaufschlagen, die mindestens so groß ist, dass eine Zersetzung
von im Abgas enthaltenem Wasser und/oder Kohlendioxid stattfindet,
und aus dem sich dabei einstellenden Pumpstrom auf den im Abgas herrschenden
Absolutdruck zu schließen.
Die Pumpspannung, die mindestens so groß ist, dass eine Zersetzung
von im Abgas enthaltenem Wasser und/oder Kohlendioxid stattfindet,
wird nachfolgend kurz „Zersetzungsspannung" genannt.
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Die
Erfindung macht sich dabei zunutze, dass bei λ ≥ 1, also im stöchiometrischen
oder mageren Betrieb, der gesamte eingespritzte Kraftstoff mit dem
Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid reagiert. Da der dabei eingestellte
Kraftstoffverbrauch bekannt ist, er entspricht der eingespritzten
Kraftstoffmenge, die bekannt ist, kann die Produktionsrate der erzeugten
Wasser- und Kohlendioxidmoleküle
bestimmt, beispielsweise errechnet werden. Unter der Annahme, dass
die Gasdurchflussgeschwindigkeit im Abgasstrang bei Normaldruck
bekannt ist bzw. durch beispielsweise einen Heißfilm-Luftmassen-Durchflussmesser
gemessen werden kann, kann auf die Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration
im Abgasstrang bei Normaldruck geschlossen werden. Die Abgaskonzentration
bei λ =
1 kann unabhängig
vom Absolutdruck exakt eingestellt werden, da hierbei kein Pumpstrom
fließt.
Zusätzlich
ergibt sich bei bekannter Kraftstoffart aus der λ = 1 – Einstellung der Brennkraftmaschine
ein festes Verhältnis
des Kraftstoffflusses zum Gasdurchfluss, das zur Absicherung der
vorstehenden Bestimmung dienen kann.
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Wenn
bei diesem Lambdawert eine konstante positive Pumpspannung in der
Größe der Zersetzungsspannung
des Wassers an die Pumpzelle angelegt wird, ist der Pumpstrom proportional
zur Konzentration der Wassermoleküle im Abgas. Diese hängt neben
der Einspritzmenge auch vom Absolutdruck ab. Ein Vergleich der auf
diese Weise gemessenen Wasserkonzentration mit der errechneten Wasserkonzentration
für Normaldruckbedingungen liefert
anhand der an sich bekannten statischen Druckabhängigkeit des Sondensignals
die Information über
den Absolutdruck.
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Vorteilhafterweise
kann auch auf jegliche Konzentrationsberechnung verzichtet werden,
indem der Pumpstrom, der sich bei einer definierten Zersetzungsspannung,
definierter Einspritzmenge von Kraftstoff und definierter Sauerstoff-Zugabe
in einem definierten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, das
heißt
bei definiertem Abgasstrom einstellt, verglichen wird mit dem in
einem Datenspeicher gespeicherten Soll-Pumpstrom unter denselben
definierten Bedingungen und bei Normaldruck. Anhand einer empirisch
ermittelten Kalibrationskurve wird der Abweichung vom Soll-Pumpstrom
ein Absolutdruck zugeordnet.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf Anspruch
1 rückbezogenen Unteransprüche. So
wird vorteilhafterweise der Gassensor zunächst mit einer Pumpspannung
beaufschlagt, die so groß ist,
dass ein Abpumpen von Sauerstoffstattfindet. Der sich dabei einstellende Pumpstrom
wird erfasst und als Untergrundstrom von dem sich bei Beaufschlagung
des Gassensors mit der Zersetzungsspannung ergebenden Pumpstrom
subtrahiert.
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Die
Zersetzungsspannung beträgt
vorzugsweise zwischen 1500 und 1800 mV.
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Die
Pumpspannung zum Abpumpen des Sauerstoffs beträgt zwischen 750 und 850, insbesondere
800 mV.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist
vorgesehen, abwechselnd zwischen zwei verschieden großen Zersetzungsspannungen
hin- und herzuschalten. Die betragsmäßig geringere Spannung wird
dabei so gewählt,
dass dort, neben dem eventuell vorhandenen Sauerstoffuntergrund,
nur Wasser oder Kohlendioxid zersetzt wird. Die betragsmäßig größere Spannung wird
so gewählt,
dass zusätzlich
das bisher noch nicht zersetzte Produktmolekül, also entweder Kohlendioxid
oder Wasser, zersetzt wird. Nach Abzug eines Sauerstoff-Offsetstroms,
der bestimmt werden kann, lässt
sich aus dem Vergleich der sich hierbei einstellenden Pumpströme unabhängig vom
Absolutdruck das Verhältnis
von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen bestimmen, das heißt errechnen
und so auf die Kraftstoffart schließen, also die Kraftstoffart
identifizieren.
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Das
vorbeschriebene Verfahren ist bevorzugt Gegenstand eines Computerprogramms,
das insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und auf
einem Computer, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine zur
Realisierung des Verfahrens abläuft.
Insoweit ist es auch bei bestehenden Steuergeräten „nachrüstbar", da ein zusätzlicher Schaltungsaufwand
durch zusätzliche
Sensoren bei diesem Verfahren vollständig entfällt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
als Zweizeller ausgebildeten Gassensor in Form einer Breitbandlambdasonde und;
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2 einen
als Einzeller ausgebildeten Gassensor in Form einer Breitbandlambdasonde,
bei denen das erfindungsgemäße Verfahren
zum Einsatz kommt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein
in 1 dargestellter Gassensor, der nach dem Doppelzellenprinzip
arbeitet und bei dem das erfindungemäße Verfahren zum Einsatz kommt, weist
ein Sensorelement 100 auf, das durch einen in Schichtbauweise
ausgebildeten Festelektrolyten 110 gebildet wird. Auf der
Außenseite
des Sensorelements 100 ist dem Abgas ausgesetzt eine erste
Elektrode, auch als äußere Pumpelektrode 150 bezeichnet,
angeordnet, die durch eine offenporige Schutzschicht 155 überdeckt
ist. In dem Festelektrolyten 110 ist ein Messvolumen 130 ausgebildet,
in dem eine zweite Elektrode, auch als innere Pumpelektrode 140 bezeichnet,
angeordnet ist. Zudem ist in dem Festelektrolyten 110 eine
Referenzelektrode 145 angeordnet, die entweder über einen
anschlusskontaktseitigen Referenzkanal (nicht dargestellt) oder
durch internes Pumpen mit Sauerstoffversorgt wird.
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In
dem Festelektrolyten 110 ist ferner eine in eine Isolationsschicht 162 eingebettete
Heizung 160 angeordnet. Durch diese Heizung 160 wird
das Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, die eine optimale Funktion
des Sensorelements 100 gestattet. Das Abgas eines (nicht
dargestellten) Verbrennungsmotors strömt durch ein Gaszutrittsloch 115 über eine
Diffusionsbarriere 120 in das Messvolumen 130.
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Durch
eine schematisch dargestellte elektronische Schaltung, die beispielsweise
Teil eines Steuergerätes 190 sein
kann, wird zwischen der äußeren Pumpelektrode 150 und
der in dem Messvolumen 130 angeordneten inneren Pumpelektrode 140 eine konstante
Pumpspannung UP erzeugt, die so geregelt
wird, dass sich aufgrund des Pumpstroms ein λ = 1 – Gasgemisch in dem Messvolumen 130 einstellt. Dies
wird dadurch erreicht, dass der Pumpstrom auf eine Nernstspannung
UN = 450 mV zwischen der inneren Pumpelektrode
und der „sauerstoffbespülten" Referenzelektrode 145 geregelt.
wird.
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Anders
verhält
es sich bei Lambda-Sonden nach dem Grenzstromprinzip, die als sogenannte Einzeller
aufgebaut sind und bei denen die beiden Elektroden 140, 150 auf
der Abgasseite unter einer Diffusionsbarriere 159 angeordnet
sind, wobei eine feste Pumpspannung UP an
diesen Elektroden anliegt. In diesem Falle können wie in 2 dargestellt die
beiden Pumpelektroden 140, 150 unter einen gemeinsamen
Diffusionsbarriere 159 angeordnet sein. Es ist aber auch
möglich
nur die Kathode unter einer Diffusionsbarriere anzuordnen oder eine
Elektrode im Abgas unter einer Diffusionsbarriere anzuordnen und
die andere Elektrode in einem Referenzluftkanal mit hohem Grenzstrom.
Bei diesen Sonden wird durch die feste Pumpspannung bei magerem
Abgas ein positiver Pumpstrom erzeugt, der eindeutig mit dem Sauerstoffgehalt
des Abgases zusammenhängt. Auch
eine solche Sonde weist eine Schicht 162 mit Heizelementen 160 auf,
beispielsweise mäanderförmig verlaufende
Heizelemente, die über
Heizerzuleitungen 161 mit Strom und Spannungen versorgbar sind.
In 2 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet wie in 1.
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Das
Signal derartiger Breitbandlambdasonden hängt nun neben der Abgaskonzentration
auch vom Absolutdruck ab. Diese Abhängigkeit wird als „statische
Druckabhängigkeit" bezeichnet. Die Kenntnis
des Absolutdrucks ist für
eine Korrektur des Sondensignals sowie auch für weitere Funktionen zur Steuerung
der Brennkraftmaschine von Bedeutung. Rein prinzipiell könnte der
Absolutdruck im Abgasstrang durch Einbau eines Drucksensors gemessen
werden. Ein solcher Sensor würde
allerdings einen erhöhten
Montageaufwand, der wiederum mit zusätzlichen Kosten verbunden ist,
nach sich ziehen. Darüber
hinaus wäre
ein solcher Drucksensor störanfällig und
müsste
im Rahmen einer On-board-Diagnose kontinuierlich auf Fehler überwacht
werden.
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Grundidee
der vorliegenden Erfindung ist es, vorstehend beschriebene Gassensoren
nun so zu betreiben, dass mit ihrer Hilfe auch der Absolutdruck im
Abgas gemessen werden kann. Hierzu sind zwei Betriebsarten vorgesehen.
Die eine Betriebsart findet bei einem stöchiometrischen Abgas statt,
also bei einem Wert λ =
1. In diesem Falle wird eine konstante positive Pumpspannung UP angelegt, die einen so hohen Wert aufweist,
dass eine Zersetzung des Wassers und/oder des Kohlendioxids stattfindet.
Diese Zersetzungsspannung beträgt
zum Beispiel zwischen 1500 und 1800 mV. Mit Hilfe dieser Spannung findet
eine vollständige
Zersetzung des im Abgas enthaltenen Wassers und/oder des Kohlendioxids statt.
Eine Abgaskonzentration bei λ =
1 kann unabhängig
vom Absolutdruck exakt eingestellt werden, da hierbei kein Pumpstrom
fließt.
Wenn bei diesem Lambdawert eine konstante positive Pumpspannung in
Höhe der
Zersetzungsspannung des Wassers und/oder des Kohlendioxids an die
Pumpzelle angelegt wird, ist der Pumpstrom IP proportional
zur Konzentration der Wasser- und/oder Kohlendioxidmoleküle im Abgas.
Diese hängt
neben der Einspritzmenge, die bekannt ist, auch vom Absolutdruck
ab. Ein Vergleich der auf diese Weise gemessenen Wasser- und/oder
Kohlendioxidkonzentration mit einer zuvor bestimmten Wasser- und/oder
Kohlendioxidkonzentration für
Normaldruckbedingungen liefert anhand der an sich bekannten statischen
Druckabhängigkeit des
Sondensignals die Information über
den Absolutdruck p im Abgas. Die Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration
bei Normaldruckbedingungen kann auch im mageren Abgas gemessen werden.
In diesem Falle reagiert der gesamte eingespritzte Kraftstoff mit
dem Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid. Da die Einspritzmenge
bekannt ist, kann die Produktionsrate der erzeugten Wasser- und/oder
Kohlendioxidmoleküle
errechnet werden. Unter Berücksichtigung
der ebenfalls bekannten Gasdurchflussgeschwindigkeit im Abgasstrang
bei Normaldruck kann auf diese Weise die Wasser- und/oder Kohlendioxidkonzentration
im Abgasstrang bei Normaldruck errechnet werden.
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Ein
möglicher
Quereinfluss durch Schwankungen des Stickstoff/Sauerstoffverhältnisses
in Luft kann durch Messung des Sauerstoffgrenzstroms an Luft im
Schubbetrieb ermittelt und rechnerisch kompensiert werden.
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Die
Bestimmung des Absolutdrucks p bei einem mageren Abgasgemisch, d.
h. bei λ ≥ 1 erfolgt dadurch,
dass zunächst
die Pumpelektroden mit einem Pumpstrom beaufschlagt werden, der
für das Abpumpen
des Sauerstoffs aus dem Messhohlraum im Falle einer als Zweizeller
ausgebildeten Breitbandlambdasonde bzw. aus der Kathodenschicht
im Falle eines Einzellers ausreichend ist. Eine dafür benötigte Pumpspannung
beträgt
ca. 800 mV. Daraufhin wird bei demselben Lambdawert eine konstante positive
Pumpspannung in Höhe
der Zersetzungsspannung des Wassers und/oder Kohlendioxids angelegt,
um zusätzlich
das im Abgas enthaltene Wasser und/oder auch das Kohlendioxid zu
reduzieren. Der dabei auftretende Pumpstrom wird gemessen und von
diesem wird der Untergrundstrom, d. h. der Pumpstrom, der sich beim
Abpumpen des Sauerstoffs einstellt, subtrahiert. Die Differenz ist
ein Maß für den Absolutdruck
p in dem Abgas.
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Eine
weitere vorteilhafte Anwendung zielt darauf ab, abwechselnd zwischen
zwei verschieden großen
Zersetzungsspannungen hin- und herzuschalten. Die betragsmäßig geringere
Spannung wird so gewählt,
dass dort, neben dem eventuell vorhandenen Sauerstoffuntergrund,
nur Wasser oder nur Kohlendioxid zersetzt wird. Die betragsmäßig größere Spannung
wird so gewählt,
dass zusätzlich das
bisher noch nicht zersetzte Produktmolekül, also entweder Kohlendioxid
oder Wasser, zersetzt wird. Nach Abzug eines Sauerstoff-Offsetstroms
lässt sich aus
dem Vergleich der sich hierbei einstellenden Pumpströme, unabhängig vom
Absolutdruck, das Verhältnis
von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen im Kraftstoff errechnen und
so die Kraftstoffart identifizieren.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm
auf einem Rechengerät,
insbesondere einem Steuergerät 190 einer
Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode
kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das
Steuergerät 190 lesen
kann. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern
rein prinzipiell das Verfahren auch als Schaltung realisiert sein
kann, die in diesem Falle bevorzugt Teil des Steuergeräts 190 ist.
Die Schaltung kann dabei als integrierte Schaltung oder auch als diskrete
Schaltung aufgebaut sein.