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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und insbesondere
auf eine Massenluftdurchflusssteuerung, die die Betätigung einer
Drosselklappe und eines Abgasrückführungsventils
(AGR-Ventils) koordiniert.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Verbrennungsmotoren
verbrennen ein Luft- und Kraftstoffgemisch, um ein Antriebsmoment
zu erzeugen. Genauer wird Luft in den Motor angesaugt und mit Kraftstoff
vermischt. Das Luft- und Kraftstoffgemisch wird in Zylindern verbrannt,
um eine Kurbelwelle anzutreiben, die ein Drehmoment erzeugt. Der Massenluftdurchfluss
in den Motor und die Menge an eingespritztem Kraftstoff bestimmen
den Betrag des erzeugten Antriebsmoments.
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Manche
Motoren umfassen Abgasrückführungssysteme
(AGR-Systeme), um den Motorbetrieb zu verbessern und Motoremissionen
zu reduzieren. Das AGR-System umfasst ein AGR-Ventil, das eine Abgasmenge
reguliert, die zu dem Einlasskrümmer zurückgeführt wird,
um mit der Luft und dem Kraftstoff vermischt zu werden. Das zusätzliche
Abgas beeinflusst die Menge der Motorluftaufnahme durch die Drosselklappe.
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Ein
herkömmliches
Verfahren zum Steuern der Motorluftaufnahme umfasst die AGR-Ventilregelung
und die Drosselklappensteuerung. Die Soll-Drosselklappenstellung wird auf der
Grundlage einer Steuerungs-Verweistabelle geplant. Das AGR-Ventil
wird gesteuert, um den Massenluftdurchfluss in den Motor zu regulieren.
Um zu garantieren, dass der Sollwert unter unterschiedlichen Bedingungen
erreicht wird, muss sich die Drosselklappe stärker schließen, als erforderlich ist,
was infolge übermäßigen Drosselns
zu einer reduzierten Kraftstoffwirtschaftlichkeit führt.
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Ein
weiteres herkömmliches
Verfahren wendet die Regelung sowohl des AGR-Ventils als auch der
Drosselklappe an. Das AGR-Ventil und die Drosselklappe werden aufeinander
folgend gesteuert. An der unteren Grenze des Steuerungseinflusses,
wo das AGR-Ventil selbst ausreicht, um den Einlassluft-Sollwert
zu erreichen, ist nur das AGR-Ventil aktiv, das den Luftdurchfluss
auf den Zielwert reguliert, während
die Drosselklappe vollständig
geöffnet
ist. An der oberen Grenze des Steuerungseinflusses, wo das AGR-Ventil
selbst nicht ausreicht, um den Soll-Massenluftdurchfluss zu erreichen,
ist das AGR-Ventil vollständig
geöffnet
und wird die Drosselklappe betätigt.
Diese Strategie löst
das Problem unnötigen
Drosselns, jedoch erfordert es ein Drosselventil mit hochgenauer
Aufnahme und einen hochgenauen Stellungssensor, um den Massenluftdurchfluss
genau zu steuern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher
schafft die vorliegende Erfindung ein Motorsteuersystem, das eine
Drosselklappe und ein Abgasrückführungsventil
(AGR-Ventil) umfasst, um den Massenluftdurchfluss (MAF) in einen
Motor zu regulieren. Das Motorsteuersystem umfasst ein erstes Modul,
das anhand eines MAF-Fehlers bzw. einer MAF-Abweichung einen MAF-Steuerbefehl
bestimmt. Ein zwei tes Modul bestimmt anhand des MAF-Steuerbefehls
und eines maximalen AGR-Ventilbereichs eine Soll-AGR-Ventilstellung.
Die Drosselklappe ist vollständig
geöffnet
und das AGR-Ventil wird so reguliert, dass die Soll-AGR-Stellung erreicht wird,
wenn der MAF-Steuerbefehl kleiner als der maximale AGR-Ventilbereich
ist.
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Gemäß weiteren
Merkmalen bestimmt das zweite Modul eine Drosselklappenstellung
anhand des MAF-Steuerbefehls, wenn der MAF-Steuerbefehl größer als
der maximale AGR-Ventilbereich ist. Das zweite Modul bestimmt die
AGR-Stellung anhand der Drosselklappenstellung und des MAF-Steuerbefehls.
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Gemäß nochmals
weiteren Merkmalen bestimmt ein drittes Modul den MAF-Fehler anhand
eines Ziel-MAF und eines Ist-MAF. Der Ziel-MAF wird anhand einer
Motordrehzahl und einer Kraftstoffeinspritzmenge in den Motor bestimmt.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der hier
gegebenen genauen Beschreibung deutlich. Die genaue Beschreibung
und die spezifischen Beispiele sind, obwohl sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, selbstverständlich lediglich zum Zweck
der Veranschaulichung gedacht und nicht dazu gedacht, den Umfang
der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der genauen Beschreibung
und den begleitenden Zeichnungen; in diesen zeigt:
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1 einen
funktionalen Blockschaltplan eines beispielhaften Motorsystems,
das auf der Grundlage der koordinierten AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung
der vorliegenden Erfindung reguliert wird;
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2 beispielhafte
AGR-Ventil- und Drosselklappenlinienzüge bei Anwendung der koordinierten
AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung der vorliegenden Erfindung;
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3 beispielhafte
AGR-Ventil- und Drosselklappenlinienzüge in einem Vergleich der koordinierten
AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung der vorliegenden Erfindung
mit einer herkömmlichen Massenluftdurchfluss-(MAF)-Steuerung;
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4 einen
Ablaufplan, der beispielhafte Schritte zeigt, die von der Massenluftdurchflusssteuerung
der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden; und
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5 einen
funktionalen Blockschaltplan von beispielhaften Modulen, die die
MAF-Steuerung der vorliegende Erfindung ausführen.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist dem Wesen nach
lediglich beispielhaft, wobei keineswegs beabsichtigt ist, die Erfindung,
ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschranken. Der Klarheit wegen
werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung
von gleichartigen Elementen benutzt. Der Begriff "Modul", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung
(ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam
genutzt, eigens zugewiesen oder für eine Gruppe) mit Speicher,
der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine
kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten,
die die beschriebene Funktionalität verschaffen.
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In 1 ist
ein beispielhaftes Motorsystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
schematisch gezeigt. Das Motorsystem 10 umfasst einen Motor 12,
einen Einlasskrümmer 14,
ein Kraftstoffeinspritzsystem 16 und ein Abgassystem 18.
Der beispielhafte Motor 12 umfasst sechs Zylinder 20,
die in benachbarten Zylinderreihen 22, 24 in einer
V-Anordnung konfiguriert sind. Obwohl 1 sechs
Zylinder zeigt (N = 6), kann der Motor 12 wohlgemerkt mehr
oder weniger Zylinder 20 umfassen. Beispielsweise kommen
Motoren mit 2, 4, 5, 8, 10, 12 und 16 Zylindern in Betracht. Der
Motor 12 ist wohlgemerkt beispielhafter Art; es ist auch
eine Reihenzylinderkonfiguration ins Auge gefasst.
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Durch
eine Drosselklappe 25 und ein Filter 27 wird Luft
in den Einlasskrümmer 14 angesaugt. Aus
dem Einlasskrümmer 14 wird
die Luft in die Zylinder 20 angesaugt und darin komprimiert.
Durch das Einspritzsystem 16 wird Kraftstoff eingespritzt, wobei
das Luft/Kraftstoff-Gemisch in den Zylindern 20 verbrannt
wird. Die Abgase werden von den Zylindern 20 in das Abgassystem 18 ausgestoßen. In manchen
Fällen
kann das Motorsystem 10 einen Turbo 26 umfassen,
der zur Verbrennung mit dem Kraftstoff und der aus dem Einlasskrümmer 14 angesaugten
Luft zusätzliche
Luft in die Zylinder 20 pumpt.
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Das
Abgassystem 18 umfasst einen Abgaskrümmer 30, einen Abgaskanal 31,
ein AGR-Ventil 34, einen AGR-Kanal 35 und einen
AGR-Kühler 36. Der
Abgaskrümmer 30 leitet
das Abgas von den Zylinderreihen 22, 24 in den
Abgaskanal 31. Das AGR-Ventil 34 führt wahlweise
einen Teil des Abgases durch den AGR-Kanal 35 zurück, wie
weiter unten näher
erläutert
wird. Das restliche Abgas wird in den Turbo 26 gleitet,
um diesen anzutreiben. Der Abgasstrom führt von dem Turbo 26 zu
einem Abgasnachbehandlungssystem (nicht gezeigt).
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Ein
Steuermodul 42 reguliert den Betrieb des Motorsystems 10 auf
der Grundlage der koordinierten AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung
der vorliegenden Erfindung. Genauer steuert das Steuermodul 42 sowohl
die Betätigung
der Drosselklappe 25 als auch des AGR-Ventils 34,
um den Massenluftdurchfluss (MAF) in den Motor 12 zu regulieren.
Das Steuermodul 42 kommuniziert mit einem Einlasskrümmer-Absolutdruck-(MAP)- bzw. Absolutladedrucksensor 44 und
einem Motordrehzahlsensor 46. Der MAP-Sensor 44 erzeugt
ein Signal, das den Luftdruck in dem Einlasskrümmer 14 angibt, während der Motordrehzahlsensor 46 ein
Signal erzeugt, das die Motordrehzahl (RPM) angibt. Das Steuermodul 42 bestimmt
anhand der Motordrehzahl und der Kraftstoffzufuhrraten eine Motorlast.
Das Steuermodul 42 kommuniziert außerdem mit einem Massenluftdurchfluss-(MAF)-Sensor 47,
der ein MAF-Signal erzeugt.
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Die
koordinierte AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung der vorliegenden
Erfindung reguliert das AGR-Ventil 34, um die Genauigkeit
des MAF in den Motor 12 zu steuern, wobei die Drosselklappe 25 dazu
verwendet wird, den Steuerbereich zu erweitern. Wegen der höheren Genauigkeit
des AGR-Ventils 34 im Vergleich zu der Drosselklappe 25 ergibt sich
ein genaues Steuerverhalten, obwohl eine Drosselklappe 25 mit
grober Genauigkeit verwendet wird. Während des Aufrechterhaltens
des Steuerungseinflusses des AGR-Ventils 34 wird die AGR-Ventilstellung
sehr nahe an der vollständig
geöffneten
Stellung gehalten, um ein übermäßiges Drosseln
zu vermeiden und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
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Ein
beispielhaftes AGR-Ventil umfasst einen beispielhaften MAF-Bereich
von etwa 0,03 kg/s (d. h. bei 100% geöffnet) bis etwa 0,067 kg/s
(d. h. bei 0% geöffnet).
Das beispielhafte AGR-Ventil kann in Inkrementen von 0,1% bei einer
beispielhaften MAF-Änderung
von etwa 0,00003 kg/s (d. h. pro Änderung der AGR-Stellung von
0,1%) verstellt werden. Es sei angemerkt, dass zwischen der minimalen
und der maximalen AGR-Stellung die AGR-Ventilauflösung nicht
stets linear zu der MAF-Änderung
ist. Eine beispielhafte Drosselklappe umfasst einen beispielhaften
MAF-Bereich von etwa 0 kg/s (d. h. bei 0% geschlossener Drosselklappe)
bis etwa 0,03 kg/s (d. h. bei 0% geschlossener Drosselklappe). Die
beispielhafte Drosselklappe kann bei einer beispielhaften MAF-Änderung
von etwa 0,0006 kg/s pro Inkrement (d. h. pro Änderung der Drosselklappenstellung
von 2%) in Inkrementen von etwa 2% verstellt werden. Es sei angemerkt,
dass zwischen der minimalen und der maximalen Drosselklappenstellung
die Drosselklappenauflösung
nicht stets linear zu der MAF-Änderung ist.
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Der
MAF entspricht der durch die Drosselklappe 25 in den Motor 12 strömenden Frischluft.
Obwohl nur Abgas durch das AGR-Ventil 34 strömt, steuert
das AGR-Ventil 34 indirekt den MAF. Genauer nimmt dann,
wenn da AGR-Ventil 34 geöffnet ist, der AGR-Fluss in
den Motor 12 zu. Weil der Gesamtfluidfluss (d. h. Frischluft
und Abgas kombiniert) in den Motor 12 nahezu konstant ist,
wird folglich der MAF begrenzt/reduziert. Wenn das AGR-Ventil 34 vollständig geöffnet ist
(z. B. 100%) ist der MAF durch die Drosselklappe 25 an
seinem tiefsten Punkt. Wenn der MAF weiter reduziert werden soll,
wird die Drosselklappe 25 zur geschlossenen Stellung hin
verstellt. In den meisten Fällen
ist die Drosselklappe 25 vollständig geöffnet.
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Im
Allgemeinen reguliert die koordinierte AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung
die Drosselklappenstellung (POSTHR) und
die AGR-Ventilstellung (POSEGR) anhand eines
MAF-Fehlers bzw. einer MAF-Abweichung (MAFERR),
der bzw. die anhand eines Ziel-MAF (MAFTRG)
und eines Ist-MAF (MAFACT) bestimmt wird.
MAFTRG wird anhand der Motordrehzahl und
der eingespritzten Kraftstoffmenge aus einer im Voraus gespeicherten
Verweistabelle bestimmt, während
MAFACT anhand des MAF-Sensorsignals bestimmt
wird. Die Steuerausgänge
sind nicht mehr der Soll-MAF, sondern Befehlssignale an die Drosselklappe 25 und
das AGR-Ventil 34, die als deren Sollstellungen in der
Einheit % interpretiert werden.
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Die
koordinierte AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung erzeugt anhand
eines MAFERR ein Steuersignal oder einen
MAF-Steuerbefehl (MAFCTL). MAFCTL kann
beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 200% liegen. Wenn MAFCTL kleiner als der maximal erreichbare AGR-Ventilbereich
(POSEGRMAX) (z. B. 100%) ist, wird nur das
AGR-Ventil 34 gesteuert, wobei die Drosselklappe 25 vollständig geöffnet ist. Beispielsweise
wird dann, wenn MAFCTL 75% beträgt, also
kleiner als POSEGRMAX von 100% ist, werden
POSEGR auf 75% und POSTHR auf
0% geschlossen, was einer vollständig
geöffneten
Drosselklappe entspricht, eingestellt.
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Wenn
MAFCTL größer als POSEGRMAX von 100%
ist, wird die Differenz zwischen MAFCTL und POSEGRMAX (ΔX)
berechnet. Anhand von ΔX
und der Auflösung
der Drosselklappe 25 werden POSTHR und POSEGR bestimmt Die Stellungsbefehle werden
derart bestimmt, dass POSTHR bei Vielfachen
der Auflösung
der Drosselklappe 25 bestimmt wird (d. h., das jeder POSTHR Wert, der feiner als die Auflösung ist,
ignoriert wird) und die Steuerung des AGR-Ventils 34 auf
den Restwert gestützt
wird. In dieser Weise ist POSEGR kleiner
als POSEGRMAX, um den Steuerungseinfluss
des AGR-Ven tils 34 aufrechtzuerhalten, liegt jedoch so
nahe wie möglich
bei POSEGRMAX, um das Drosseln zu minimieren.
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Wenn
beispielsweise MAFCTL 124,5% beträgt, also
größer als
100% ist, muss die Drosselklappe 25 aktiviert werden. Bei
einer beispielhaften Drosselklappenauflösung von 2% (d. h. bei einer
Verstellung der Drosselklappe in Inkrementen von 2%) werden POSTHR auf 26% und POSEGR auf
98,5% eingestellt. In dieser Weise kommt die Summe von POSTHR und POSEGR MAFCTL gleich. Bei einer beispielhaften Drosselklappenauflösung von
1% (d. h. bei einer Verstellung der Drosselklappe in Inkrementen
von 1%) werden POSTHR auf 25% und POSEGR auf 99,5% eingestellt.
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In 2 sind
beispielhafte AGR-Ventilstellungs- und Drosselklappenstellungslinienzüge gezeigt,
die auf der koordinierten AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung
der vorliegenden Erfindung basieren. Zu Beginn ist die Drosselklappe 25 vollständig geöffnet, weil
das AGR-Ventil 34 nicht voll verwendet wird, wobei das
AGR-Ventil 34 allein den Massenluftdurchfluss reguliert.
Wenn das AGR-Ventil 34 voll verwendet wird (d. h. bei POSEGRMAX), beginnt sich die Drosselklappe 25 zu
schließen,
um den Betriebsbereich des AGR-Ventils 34 zu erweitern.
Während
die Drosselklappe 25 aktiv ist, wird das AGR-Ventil 34 dazu
verwendet, den MAF genau zu steuern. Weil die Drosselklappe 25 nur
bei diskreten Stellungen gesteuert wird, ist eine preiswertere Drosselklappe
mit grober Genauigkeit ausreichend und beeinflusst das Steuerverhalten
nicht.
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In 3 sind
beispielhafte AGR-Ventilstellungs- und Drosselklappenstellungslinienzüge unter Anwendung
einer herkömmlichen
Steuerung, die zu Vergleichszwecken über die AGR-Ventilstellungs- und
Drosselklappenstellungslinienzüge
aus 2 gelegt sind, gezeigt. Wie ersichtlich ist, ist
der Unterschied in den AGR-Ventilstellungen gering (z. B. kleiner
als etwa 3%). Ähnlich
ist auch der Unterschied in den Drosselklappenstellungen gering
(z. B. kleiner als die Auflösung
der Drosselklappe mit grober Genauigkeit). Folglich ermöglicht die
koordinierte AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung die Verwendung
einer preiswerteren Drosselklappe mit grober Genauigkeit und führt zu einer
geringeren Drosselungsaktivität.
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Mit
Bezug auf 4 werden nun beispielhafte Schritte
gezeigt, die von der koordinierten AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung
ausgeführt
werden, im Einzelnen beschrieben. Im Schritt 400 berechnet
die Steuerung MAFERR anhand von MAFTRG und MAFACT. Im
Schritt 402 bestimmt die Steuerung MAFCTL anhand
der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge.
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Im
Schritt 406 bestimmt die Steuerung, ob MAFCTL größer als
POSEGRMAX ist. Wenn MAFCTL nicht größer als
POSEGRMAX ist, setzt die Steuerung im Schritt 408 POSEGR auf MAFCTL, worauf
die Steuerung endet. In dieser Weise bleibt die Drosselklappe 25 vollständig geöffnet und
ist das AGR-Ventil 34 so
eingestellt, das POSEGR erreicht wird. Wenn
MAFCTL größer als POSEGRMAX ist,
bestimmt die Steuerung im Schritt 410 POSTHR anhand
der Differenz zwischen MAFCTL und POSEGRAMAX. Im Schritt 412 bestimmt
die Steuerung POSEGR anhand der Differenz
zwischen Differenz zwischen MAFCTL und POSTHR, worauf die Steuerung endet. In dieser
Weise wird die Drosselklappe 25 so eingestellt, dass POSTHR erreicht wird, und wird das AGR-Ventil 34 so
eingestellt, das POSEGR erreicht wird.
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Mit
Bezug auf 5 werden nun beispielhafte Module,
die die koordinierte AGR-Ventil- und Drosselklappensteuerung ausführen, im
Einzelnen beschrieben. Die beispielhaften Module umfassen einen
Summierer 500, ein PID-Steuermodul 502 und ein
Steuersignal-Koordinationsmodul 504. Der Summierer 500 bestimmt
MAFERR als Differenz zwischen MAFTRG und MA FACT. Das
PID-Steuermodul 502 bestimmt MAFCTL anhand
von MAFERR. Das Steuersignal-Koordinationsmodul 504 bestimmt
POSEGR und POSTHR anhand
von MAFCTL. Das AGR-Ventil 34 und die
Drosselklappe 25 werden so gesteuert, dass POSEGR bzw.
POSTHR erreicht werden.
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Fachleute
auf dem Gebiet können
aus der obigen Beschreibung erkennen, dass die weitreichenden Lehren
der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Formen implementiert
werden können. Obwohl
diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen von ihr
beschrieben worden ist, soll daher der wahre Umfang der Erfindung
nicht darauf begrenzt sein, da dem erfahrenen Praktiker nach einem
Studium der Zeichnungen, der Patentbeschreibung und der folgenden
Ansprüche
weitere Abänderungen
offenbar werden.