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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit einer Abgassonde, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs durchgeführt wird und wobei das Signal ein Ausgangssignal der Abgassonde oder ein aus dem Ausgangssignal abgeleitetes modelliertes oder gemessenes Signal ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der Totzeit einer Abgassonde, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs durchgeführt wird und wobei das Signal ein Ausgangssignal der Abgassonde oder ein aus dem Ausgangssignal abgeleitetes modelliertes oder gemessenes Signal ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit einer Abgassonde, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einem Berechnungsmodell zur Berechnung eines modellierten Signals und Messmitteln zur Bestimmung eines gemessenen Signals, wobei das Signal ein modelliertes oder gemessenes Ausgangssignal der Abgassonde oder ein aus dem Ausgangssignal abgeleitetes modelliertes oder gemessenes Signal ist, mit einer Vergleichseinheit zum Vergleich des modellierten Signals mit dem gemessenen Signal zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit der Abgassonde nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs.
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Zur Optimierung des Schadstoffausstoßes und der Abgasnachbehandlung werden bei modernen Brennkraftmaschinen zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abgases und zur Steuerung der Brennkraftrnaschine verschiedene Formen von Abgassonden eingesetzt. Dabei kann es sich zum Beispiel um Lambdasonden zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Abgases und daraus abgeleitet zur Regelung des der Brennkraftrnaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs oder um NOx-Sensoren handeln.
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Mit Hilfe einer Lambdasonde wird über einen Lambda-Regelkreis die Luft- und Kraftstoffzuführung der Brennkraftrnaschine derart geregelt, dass eine für die Abgasnachbehandlung durch in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehene Katalysatoren optimale Zusammensetzung des Abgases erreicht wird. Dabei wird beispielsweise bei Ottomotoren bevorzugt auf ein Lambda von 1, also ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Kraftstoff, geregelt. Die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine kann so minimiert werden.
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Es sind verschiedene Formen von Lambdasonden im Einsatz. Bei einer Zweipunkt-Lambdasonde, auch als Sprungsonde oder Nernst-Sonde bezeichnet, weist die Kennlinie bei Lambda = 1 einen sprungartigen Abfall auf. Sie erlaubt daher im Wesentlichen nur die Unterscheidung zwischen fettem Abgas bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kraftstoffüberschuss und magerem Abgas bei Betrieb mit Luftüberschuss.
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Eine Breitband-Lambdasonde, auch als stetige oder lineare Lambdasonde bezeichnet, ermöglicht die Messung des Lambdawertes in dem Abgas in einem weiten Bereich um Lambda = 1 herum. Damit kann beispielsweise eine Brennkraftrnaschine auch auf einen mageren Betrieb mit Luftüberschuss geregelt werden.
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Wesentlich für den schadstoffarmen Betrieb der Brennkraftmaschine ist eine schnelle Regelung der Abgaszusammensetzung, beispielsweise auf einen vorgegebenen Lambda-Wert. Dies gilt insbesondere auch für Brennkraftmaschinen mit Einzelzylinder-Regelung, wo das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf Basis des Signals der gemeinsamen Lambdasonde für jeden einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine individuell eingestellt wird. Dazu muss die Lambda-Messung mit einer hohen zeitlichen Auflösung erfolgen, um die bei der Lambdasonde ankommenden, aufeinander folgenden Abgasvolumina der verschiedenen Zylinder in ihrer Zusammensetzung bestimmen und einem jeweiligen Zylinder zuordnen zu können.
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Neben den gewählten Regelparametern des Lambda-Regelkreises und den Streckenparametern bestimmt die Dynamik der Lambdasonde die Geschwindigkeit des Regelkreises. Dabei ist im Neuzustand die Dynamik der Lambdasonden auch für eine Einzelzylinder-Regelung mit einer für alle Zylinder gemeinsamen Lambdasonde in einem gemeinsamen Abgaskanal ausreichend. Aufgrund von Alterungseffekten können sich die dynamischen Eigenschaften der Lambdasonden jedoch dahingehend verändern, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Lambdasonde bei der Bestimmung der Abgaszusammensetzung nicht mehr ausreicht, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausreichend schnell einzuregeln, was zu einer erhöhten Schadstoffemission führt. Liegt die Schadstoffemission außerhalb der gesetzlichen Vorgaben, ist im Rahmen der On-Board-Diagnose der Brennkraftmaschine die mangelnde Dynamik der Lambdasonde festzustellen und eine entsprechende Fehlermeldung vorzusehen.
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Bei einer Lambdasonde, insbesondere einer Breitband-Lambdasonde, kann eine Änderung der Anstiegsgeschwindigkeit oder der Totzeit asymmetrisch erfolgen, also unterschiedlich stark ausgeprägt für eine Änderung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs von mager nach fett und von fett nach mager. Eine solche asymmetrische Verlangsamung hat häufig negativere Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen als eine symmetrische Verlangsamung gleicher Größenordnung. Dies ist darin begründet, dass asymmetrische Verlangsamungen den von der Lambdaregelung eingestellten Lambda-Mittelwert verschieben. Wird der Lambda-Mittelwert durch eine fett-mager-Verlangsamung der Lambdasonde nach mager verschoben, kann beispielsweise ein in dem Abgaskanal nachgeordneter Drei-Wege-Katalysator Stickoxide nicht mehr ausreichend konvertieren. Wird der Lambda-Mittelwert durch eine mager-fett-Verlangsamung der Lambdasonde hingegen nach fett verschoben, kann der Drei-Wege-Katalysator Kohlenmonoxid und eventuell auch Kohlenwasserstoffe nicht mehr ausreichend umsetzen. In verschiedenen Ländern ist daher auch die Erkennung einer asymmetrischen Verlangsamung der Lambdasonde im Rahmen der On-Board-Diagnose festzustellen.
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In der Schrift
DE 102 60 721 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose der dynamischen Eigenschaften einer Lambdasonde, die wenigstens zeitweilig zu einer zylinderindividuellen Lambdaregelung verwendet wird, sowie eine zugehörige Diagnosevorrichtung beschrieben. Dabei ist es vorgesehen, dass wenigstens eine Stellgröße der Lambdaregelung erfasst und mit einer vorgebbaren maximalen Schwelle verglichen wird und im Falle des Überschreitens der maximalen Schwelle das dynamische Verhalten der Lambdasonde im Hinblick auf die Einsatzfähigkeit für die zylinderindividuelle Lambdaregelung als nicht ausreichend bewertet wird. Die dynamischen Eigenschaften der Lambdasonde können aus der Einzelzylinderregelung selbst erfasst werden, da die zylinderindividuellen Regler bei nicht ausreichender Dynamik der Lambdasonde divergieren. Weiterhin kann eine Testfunktion mit einer gezielten Störung oder Verstimmung des aktuellen Lambdawertes vorgesehen sein.
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Es sind weitere Diagnoseverfahren zur Bestimmung der dynamischen Eigenschaften von Lambdasonden bekannt. So kann beispielsweise ein gemessenes Lambdasignal mit einem erwarteten Lambdasignal nach Kraftstoffsprüngen bekannter Höhe verglichen werden. Das erwartete Lambdasignal wird entsprechend einem bekannten Verfahren durch ein Streckenmodell berechnet. Dabei werden die Kraftstoffsprünge durch eine Modulation des Kraftstoff-Korrekturfaktors der Lambdaregelung vorgegeben. Das erwartete und das gemessene Lambdasignal werden durch Hochpassfilterung mittelwertfrei gemacht und eventuell durch eine Tiefpassfilterung von Rauschen befreit. Für jedes der derart gefilterten Signale wird nach einem Kraftstoffsprung zum Zeitpunkt des Durchgangs des Lambdasignals durch Null eine Integration über eine bestimmte Zeit gestartet. Anschließend wird das Integral des gefilterten gemessenen Lambdasignals mit dem Integral des gefilterten erwarteten Lambdasignals verglichen und aus dem Vergleich ein Einzelergebnis der Dynamikdiagnose berechnet. Diese Einzelergebnisse werden separat für fett-mager und für mager-fett-Kraftstoffsprünge gebildet. Um die Streuung der Einzelergebnisse zu kompensieren, werden diskrete Filter angewendet. Auf einen Fehler der Lambdasonde wird erkannt, wenn nach einer bestimmten Anzahl von Einzelergebnissen einer der Filterwerte unterhalb einer Schwelle liegt.
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Aus der
US 2008/0196490 A1 ist eine Diagnose zur Ermittlung einer nachlassenden Signaldynamik einer Abgassonde bekannt. Aus der
US 2007/0227124 A1 ist eine Überwachung einer verzögerten Signaldynamik einer Abgassonde während stattfindenden fett-mager-Wechseln bekannt. Aus der
US 2005/0216175 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit einer Abgassonde bekannt.
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Nachteilig bei vielen bekannten Verfahren ist, dass damit nur eine Änderung der Zeitkonstante der Lambdasonde, nicht aber eine reine Totzeit im Sondensignal, erkannt werden kann. Beispielsweise ist es mit einem Vergleich zwischen gemessenem und erwartetem Lambdasignal bei einer periodischen Anregung nicht möglich, eine reine Totzeit zu erkennen, da es keine Möglichkeit gibt, zu unterscheiden, ob eine beobachtete Reaktion im gemessenen Lambdasignal auf die Anregung der unmittelbar vorausgehenden Periode oder einer früheren Periode zurückzuführen ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässige Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit von Abgassensoren ermöglicht, und es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässige Diagnose der Totzeit von Abgassensoren ermöglicht.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die zuverlässige Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit von Abgassensoren ermöglicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die das erste Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit einer Abgassonde wird dadurch gelöst, dass ein erster Extremwert im Verlauf des modellierten Signals bestimmt wird und dass ein erster Zeitpunkt und ein erster Startwert bestimmt werden, wenn das modellierte Signal um einen vorbestimmten Betrag von dem ersten Extremwert abweicht, dass ein zweiter Extremwert im Verlauf des gemessenen Signals bestimmt wird und dass ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert bestimmt werden, wenn das gemessene Signal um den vorbestimmten Betrag von dem zweiten Extremwert abweicht, dass ein erstes Integral über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem modellierten Signal gebildet wird und dass ein zweites Integral über einen zweiten Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem gemessenen Signal gebildet wird, dass der zweite Zeitraum gleich dem vorbestimmten Zeitraum ist oder dass das Ende des zweiten Zeitraums bezogen auf den Zeitpunkt der Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses oder bezogen auf den ersten Zeitpunkt festgelegt wird und dass aus einem quantitativen Vergleich zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral ein quantitativer Vergleichswert gebildet wird, aus dem auf die Anstiegsgeschwindigkeit und/oder die Totzeit der Abgassonde geschlossen wird.
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Dabei entspricht die Änderungsgeschwindigkeit dem Gradienten des Signals nach einer Änderung der Abgaszusammensetzung, während die Totzeit den Zeitraum darstellt, bis eine Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses zu einer Reaktion der Abgassonde führt.
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Die Extremwerte in den Signalen bilden sich in Abhängigkeit von der Richtung der vorgegebenen Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von fett nach mager oder von mager nach fett als Maximalwerte oder Minimalwerte in dem zeitlichen Verlauf der Signale aus. Aufgrund des flachen Kurvenverlaufs im Bereich der Extremwerte ist die zeitliche Bestimmung der Extremwerte sowohl bei dem modellierten als auch bei dem gemessenen Signal nur ungenau möglich. Ein Zeitpunkt nach einem Extremwert, bei dem sich das Signal um einen vorgegebenen Betrag von dem Wert des Extremwertes auf einen zu registrierenden Startwert geändert hat, ist auf Grund des hier steilen Kurvenverlaufs sehr genau zu bestimmen und ist daher geeignet als Startpunkt für die durchzuführende Integration.
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Das erste Integral über den vorbestimmten Zeitraum und über die Differenz zwischen dem modellierten Signal und dem zugehörigen ersten Startwert liefert einen Wert, der charakteristisch ist für die vorgegebene Anstiegsgeschwindigkeit der Abgassonde. Ist der zweite Zeitraum als Integrationsdauer für die Differenz zwischen dem gemessenen Signal und dem zugehörigen zweiten Startwert gleich dem vorbestimmten Zeitraum gewählt, sind also die Integrationszeiten für das modellierte und das gemessene Signal gleich, so kann aus dem quantitativen Vergleich des ersten und des zweiten Integrals auf die Anstiegsgeschwindigkeit der Abgassonde geschlossen werden. Eine verlangsamte Abgassonde wird zu einem im Vergleich kleineren zweiten Integral führen, was sich in dem gebildeten quantitativen Vergleichswert niederschlägt. Da die Zeitpunkte des Starts der Integrationen nicht auf einen festgelegten Zeitpunkt, sondern variabel an die Signalverläufe gekoppelt sind, kann die Anstiegsgeschwindigkeit der Abgassonde unabhängig von Einflüssen einer sich durch Alterung ändernden Totzeit der Abgassonde bestimmt werden.
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Wird das Ende der Integration des gemessenen Signals fest auf einen nicht mit dem Signalverlauf des gemessenen Signals verbundenen Zeitpunkt in der Art festgelegt, dass die Integrationszeit des gemessenen Signals kürzer ist als die des modellierten Signals, so liefert der quantitative Vergleich des ersten und des zweiten Integrals Informationen sowohl über die Anstiegsgeschwindigkeit der Abgassonde als auch über deren Totzeit. Das zweite Integral wird dann umso kleiner sein, je langsamer die Abgassonde auf Grund einer verringerten Anstiegsgeschwindigkeit und je später die Abgassonde auf Grund einer verlängerten Totzeit auf die Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses reagiert. Ist die Anstiegsgeschwindigkeit der Abgassonde auf Grund einer vorangegangenen Messung mit gleichen Integrationszeiträumen bekannt, so kann aus dem Vergleich der Integrale bei verkürztem zweitem Zeitraum die Totzeit separat ermittelt werden.
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Das Verfahren ermöglicht demnach die sichere Bestimmung sowohl der Anstiegsgeschwindigkeit als auch der Totzeit von Abgassonden.
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Ist es vorgesehen, dass der quantitative Vergleichswert durch Bildung einer Differenz oder eines Quotienten zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral oder zwischen dem zweiten Integral und dem ersten Integral ermittelt wird, so können Abweichungen zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral in einem einfach zu bildenden und leicht auszuwertenden Kennwert beschrieben werden.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann es vorgesehen sein, dass der vorbestimmte Zeitraum abhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine vorgegeben wird. Abgasstrom, Abgaszusammensetzung oder die Betriebsparameter der Abgassonde, wie beispielsweise die Temperatur der Abgassonde, sind abhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine. Alle diese Kenngrößen haben einen Einfluss auf den Signalverlauf der Abgassonde. Durch die Anpassung des vorbestimmten Zeitraums an die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine kann dieser Einfluss berücksichtigt werden.
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Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann es vorgesehen sein, dass das Ende des zweiten Zeitraums bezogen auf den Zeitpunkt der Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses oder bezogen auf den ersten Zeitpunkt abhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine festgelegt wird. Sowohl der Bezug des Endes des Integrationszeitraums des gemessenen Signals auf den Zeitpunkt der Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses wie auch der Bezug auf den ersten Zeitpunkt als Startpunkt der ersten Integration des modellierten Signalverlaufs ermöglichen die beschriebene Bestimmung der Totzeit der Abgassonde. Die Berücksichtigung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ist sinnvoll, da diese sich auf die Totzeit der Abgassonde auswirken.
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Die das zweite Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung zur Bestimmung der Totzeit einer Abgassonde wird dadurch gelöst, dass ein erster Extremwert im Verlauf des modellierten Signals bestimmt wird und dass ein erster Zeitpunkt bestimmt wird, wenn das modellierte Signal um einen vorbestimmten Betrag von dem ersten Extremwert abweicht, dass ein zweiter Extremwert im Verlauf des gemessenen Signals bestimmt wird und dass ein zweiter Zeitpunkt bestimmt wird, wenn das gemessene Signal um den vorbestimmten Betrag von dem zweiten Extremwert abweicht und dass aus der Differenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt die Totzeit der Abgassonde bestimmt wird.
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Auch hier ergibt sich der Vorteil, dass die zu vergleichenden Zeitpunkte auf Grund der steilen Kurvenverläufe in den durch die vorgegebene Änderung des Betrags der Signale definierten Bereichen der Signalkurven sehr genau zu bestimmen sind.
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Eine auf Grund einer größeren Totzeit verzögert reagierende Abgassonde wird zu einer zeitlich verzögerten Reaktion auf eine Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses führen. Der gemessene Verlauf des Signals wird entsprechend zu größeren Zeiten verschoben. Durch die Festlegung des ersten Zeitpunktes und des zweiten Zeitpunktes relativ zum modellierten und zum gemessenen Signalverlauf kann die Verzögerung des gemessenen Signalverlaufs im Vergleich zu dem modellierten Signalverlauf und somit die Totzeit der Abgassonde durch Vergleich des ersten und des zweiten Zeitpunktes direkt bestimmt werden.
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Ist es vorgesehen, dass die Anstiegsgeschwindigkeit und die Totzeit nach einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von einem mageren zu einem fetten Gemisch und von einem fetten zu einem mageren Gemisch bestimmt und separat ausgewertet werden, so kann eine asymmetrisch verlangsamte Anstiegsgeschwindigkeit oder eine asymmetrisch verlängerte Totzeit der Abgassonde bestimmt werden. Solche asymmetrischen Verlangsamungen können zu einer im Vergleich zu symmetrischen Verlangsamungen gleicher Größenordnung negativeren Auswirkung auf die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine führen.
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Eine eindeutige Festlegung einer unzulässig verlangsamten Abgassonde lässt sich dadurch erreichen, dass auf eine fehlerhafte Abgassonde geschlossen wird, wenn der quantitative Vergleichswert einen vorgegebenen ersten Grenzwert überschreitet oder unterschreitet oder wenn die Totzeit einen vorgegebenen zweiten Grenzwert überschreitet. Dabei ist die Festlegung des ersten Grenzwertes als zulässiger Maximalwert oder zulässiger Minimalwert davon abhängig, wie der quantitative Vergleichswert gebildet wird, zum Beispiel als Quotient zwischen dem ersten Integral zu dem zweiten Integral oder als Quotient zwischen dem zweiten Integral zu dem ersten Integral.
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Durch Auswertung der Einzelergebnisse über diskrete Filter lässt sich die Aussagesicherheit bei der Überprüfung, ob die Anstiegsgeschwindigkeit oder die Totzeit der Abgassonde unzureichend ist, erhöhen. Daher kann es vorgesehen sein, dass auf eine fehlerhafte Abgassonde geschlossen wird, wenn in mehreren aufeinander folgenden Bestimmungen der quantitative Vergleichswert oder der Mittelwert des quantitativen Vergleichswertes den vorgegebenen ersten Grenzwert überschreitet oder unterschreitet oder wenn die Totzeiten oder der Mittelwert über die Totzeiten den vorgegebenen zweiten Grenzwert überschreiten.
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Ist es vorgesehen, dass aus dem Unterschied zwischen den Totzeiten bei einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von einem magereren zu einem fetteren Gemisch und einer Änderung von einem fetteren zu einem magereren Gemisch und/oder aus dem Unterschied zwischen den Beträgen der quantitativen Vergleichswerte bei einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von einem magereren zu einem fetteren Gemisch und einer Änderung von einem fetteren zu einem magereren Gemisch ein Eingriff in das Luft-Kraftstoff-Gemisch bestimmt wird, kann zumindest ein Teil der negativen Auswirkungen einer asymmetrisch verlangsamten Abgassonde ausgeglichen werden. So kann beispielsweise bei einer für eine Lambdaregelung eingesetzten Breitband-Lambdasonde eine asymmetrische Verlangsamung der Breitband-Lambdasonde zu einer Verschiebung des von der Lambdaregelung eingestellten Lambda-Mittelwertes mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die Abgasnachbehandlung durch dafür im Abgaskanal vorgesehene Katalysatoren führen. Durch eine entsprechende Anpassung der Lambdaregelung an die gemessene asymmetrische Verlangsamung der Breitband-Lambdasonde kann der Lambda-Mittelwert wieder auf den Vorgabewert geregelt und so die Schadstoffemission verbessert werden.
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Dabei kann der Einfluss einer asymmetrisch verlangsamten Abgassonde dadurch ausgeglichen werden, dass das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch angefettet wird, wenn der quantitative Vergleichswert der Integrale bei einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von einem fetteren zu einem magereren Gemisch auf eine größere Abweichung der Integrale schließen lässt als bei einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von einem magereren zu einem fetteren Gemisch und dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch abgemagert wird, wenn der quantitative Vergleichswert der Integrale bei einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von einem magereren zu einem fetteren Gemisch auf eine größere Abweichung der Integrale schließen lässt als bei einer Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von einem fetteren zu einem magereren Gemisch.
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Eine fehlerhaft verlangsamte Abgassonde kann dem Betreiber der Brennkraftmaschine signalisiert werden und/oder in einem Fehlerspeicher registriert werden. Die Registrierung in einem Fehlerspeicher kann bei einem Werkstattbesuch ausgelesen und daraufhin die fehlerhafte Abgassonde ersetzt werden.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Auswertung auf Basis des invertierten Lambdasignals einer Breitband-Lambdasonde erfolgt. Die Verwendung des invertierten Lambdasignals statt des Lambdasignals selbst ist vorteilhaft, da der Rohwert des Lambdasondensignals proportional zum invertierten Lambdasignal ist.
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Das Verfahren lässt sich bevorzugt für die Diagnose einer Breitband-Lambdasonde oder für die Diagnose eines Stickoxid-Sensors anwenden.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Verfolger zur Bestimmung eines ersten Extremwertes, eines ersten Startwertes und eines ersten Zeitpunktes im Verlauf des modellierten Signals vorgesehen ist, dass ein zweiter Verfolger zur Bestimmung eines zweiten Extremwertes, eines zweiten Startwertes und eines zweiten Zeitpunktes im Verlauf des gemessenen Signals vorgesehen ist, dass ein erster Integrator zur Bildung eines ersten Integrals durch Integration der Differenz des modellierten Signals zu dem ersten Startwert, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über einen vorbestimmten Zeitraum vorgesehen ist und dass ein zweiter Integrator zur Bildung eines zweiten Integrals durch Integration der Differenz des gemessenen Signals zu dem zweiten Startwert, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt über einen zweiten Zeitraum, vorgesehen ist und dass der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt und das erste Integral und das zweite Integral der Vergleichseinheit zugeführt sind.
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Die Vorrichtung ermöglicht so die Bildung und den Vergleich der Integrale zur Bestimmung der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit der Abgassonde, wie dies für das Verfahren bereits ausgeführt ist. Die Vorrichtung ermöglicht weiterhin die Festlegung und den Vergleich des ersten Zeitpunktes und des zweiten Zeitpunktes, aus deren Differenz sich die Totzeit der Abgassonde ergibt.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Funktion des Berechnungsmodells, der Verfolger, der Integratoren und der Vergleichseinheit innerhalb einer Motorelektronik als Soft- und/oder Hardware-Lösung ausgebildet ist. Die Funktion kann so kostengünstig in bei modenen Brennkraftmaschinen bereits vorgesehene Motor- und Steuerelektroniken integriert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in dem das Verfahren angewendet wird und
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2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf eines modellierten und eines gemessenen Signals.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in dem das Verfahren angewendet werden kann. Dabei beschränkt sich die Darstellung auf die für die Erklärung der Erfindung notwendigen Komponenten.
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Dargestellt ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgassonde in Form einer Breitband-Lambdasonde 25.
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Die Brennkraftmaschine 1 besteht aus einem Motorblock 23 mit vier Zylindern. Dem Motorblock 23 wird über einen Zuluftkanal 10 Frischluft und über eine Kraftstoff-Dosiereinrichtung 22 Kraftstoff zugeführt. In dem Zuluftkanal 10 ist eine Drosselklappe 21 zur Einstellung der zugeführten Luftmenge vorgesehen. Dem Motorblock 23 nachgeordnet ist ein Abgaskanal 11, in dem in Strömungsrichtung des Abgases die Breitband-Lambdasonde 25 und ein Katalysator 12 angeordnet sind.
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Die Drosselklappe 21, die Kraftstoff-Dosiereinrichtung 22 und die Breitband-Lambdasonde 25 sind mit einer Motorelektronik 24 verbunden. Sie bilden, gemeinsam mit dem Motorblock 23, einen Regelkreis 20 für die Lambda-Regelung. Dabei ist der Regelalgorithmus in der Motorelektronik 24 hinterlegt.
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Für den normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ist in der Motorelektronik 24 ein linearer Lambda-Regelalgorithmus vorgesehen. Die Breitband-Lambdasonde 25 bestimmt den Sauerstoffgehalt im Abgas und bildet ein entsprechendes Ausgangssignal, welches der Motorelektronik 24 zugeführt wird. Diese bildet daraus die Reglerstellgrößen für die Kraftstoff-Dosiereinrichtung 22 und die Drosselklappe 21 zur Einstellung der zugeführten Luftmenge dahingehend, dass die Brennkraftmaschine 1 mit einem vorgegebenen Lambda, also einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, betrieben wird. Für eine optimierte Abgasnachbehandlung in dem als Drei-Wege-Katalysator ausgeführten Katalysator 12 ist ein Betrieb bei einem Lambda von 1 vorgesehen.
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Eine Verlangsamung der Reaktionszeit der Breitband-Lambdasonde 25 beeinflusst die Lambda-Regelung und führt zu einer vergrößerten Schadstoffemission der Brennkraftmaschine 1. Gesetzliche Vorgaben fordern die Einhaltung von Grenzwerten bei der Schadstoffemission, was eine Überwachung der alterungsabhängigen Anstiegsgeschwindigkeit und Totzeit der Breitband-Lambdasonde 25 erforderlich macht.
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Die Verlangsamung der Breitband-Lambdasonde 25 tritt zum Teil asymmetrisch auf, das heißt, die Reaktionsgeschwindigkeit der Abgassonde ist unterschiedlich für eine Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von fett nach mager (fett-mager-Verlangsamung) und von mager nach fett (mager-fett-Verlangsamung). Eine solche asymmetrische Verlangsamung hat häufig negativere Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen als eine symmetrische Verlangsamung gleicher Größenordnung. Der Grund besteht darin, dass asymmetrische Verlangsamungen den von der Lambdaregelung eingestellten Lambda-Mittelwert verschieben. Falls der Mittelwert durch eine fett-mager-Verlangsamung nach mager verschoben wird, kann der Drei-Wege-Katalysator Stickoxide nicht mehr ausreichend konvertieren. Falls der Mittelwert durch eine mager-fett-Verlangsamung der Breitband-Lambdasonde 25 nach fett verschoben wird, kann der Drei-Wege-Katalysator Kohlenmonoxid und eventuell Kohlenwasserstoffe nicht mehr ausreichend konvertieren.
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2 zeigt ein Diagramm 30 mit dem zeitlichen Verlauf eines modellierten Signals 40 und eines gemessenen Signals 50 der in 1 dargestellten Breitband-Lambdasonde 25. Das Verfahren lässt sich sinngemäß jedoch auch auf andere Abgassonden, beispielsweise einen NOx-Sensor, anwenden.
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Die Signale 40, 50 sind als invertierte Lambdawerte gegenüber einer Signalachse 31 und einer Zeitachse 32 aufgetragen. Weiterhin ist der Verlauf des der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 dargestellt.
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Dem modellierten Signal 40 ist ein erster Extremwert 41 und ein Wertepaar bestehend aus einem ersten Zeitpunkt 42 und einem ersten Startwert 43 zugeordnet. Die Fläche, die durch einen vorgegebenen Zeitraum 44 und das modellierte Signal 40 aufgespannt ist, stellt grafisch ein erstes Integral 45 dar.
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Entsprechend ist dem gemessenen Signal 50 ein zweiter Extremwert 51 und ein Wertepaar bestehend aus einem zweiten Zeitpunkt 52 und einem zweiten Startwert 53 zugeordnet. Die Fläche, die durch einen zweiten Zeitraum 54 und das gemessene Signal 50 aufgespannt ist, stellt grafisch ein zweites Integral 55 dar. Das Ende 56 des zweiten Zeitraums 54 ist markiert.
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Das Verfahren beruht auf dem Vergleich des modellierten Signals 40 und des gemessenen Signals 50 nach einem Sprung in bekannter Höhe in dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis 33. Die Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 wird durch Kraftstoffsprünge definierter Höhe erreicht.
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Die Berechnung des modellierten Signals 40 erfolgt anhand eines Streckenmodells unter Annahme einer intakten Breitband-Lambdasonde 25.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 entsprechend der invertierten Darstellung von fett nach mager, also durch eine sprunghafte Verringerung der der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Kraftstoffmenge um einen bekannten Betrag. Die Auswertung der invertieren Lambdasignale ist für die Diagnose von Breitband-Lambdasonden 25 vorteilhaft, da der Rohwert des Lambdasondensignals proportional zum invertierten Lambda ist. Durch den Sprung im Kraftstoff-Luft-Verhältnis 33 bilden sich der erste Extremwert 41 und der zweite Extremwert 51 als Maxima aus. Die Auswertung lässt sich entsprechend auch für eine sprunghafte Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 von mager nach fett durchführen. Dann bilden die Extremwerte 41, 51 Minima in den Signalverläufen.
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Nach dem Sprung in dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis 33 wird das mitlaufende Maximum als erster Extremwert 41 des modellierten Signals 40 ermittelt. Der Signalverlauf wird weiter verfolgt, bis das modellierte Signal 40 um einen vorbestimmten Betrag 34 unter das Maximum des ersten Extremwerts 41 auf den ersten Startwert 43 gefallen ist. Ab dem jetzt erreichten ersten Zeitpunkt 42 wird das erste Integral 45 durch eine zeitliche Integration der Differenz des modellierten Signals 40 und des ersten Startwerts 43 über den vorgegebenen Zeitraum 44 gebildet. Die Dauer des vorgegebenen Zeitraums 44 ist in Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 gewählt.
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Die Auswertung des gemessenen Signals 50 nach dem Sprung in dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis 33 erfolgt entsprechend. Zunächst wird das mitlaufende Maximum als zweiter Extremwert 52 des gemessenen Signals 50 ermittelt. Anschließend wird der Signalverlauf weiter verfolgt, bis das gemessene Signal 50 um den gleichen vorbestimmten Betrag 34 wie bei dem modellierten Signal 40 eingeführt unter das Maximum des zweiten Extremwerts 51 auf den zweiten Startwert 53 gefallen ist. Auch hier erfolgt ab dem jetzt erreichten zweiten Zeitpunkt 52 zur Bildung des zweiten Integrals 55 eine zeitliche Integration der Differenz des gemessenen Signals 50 und des zweiten Startwerts 53 über den zweiten Zeitraum 54, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem vorgegebenen Zeitraum 44 entspricht.
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Die Zeit zwischen dem ersten Zeitpunkt 42 in dem modellierten Signal 40 und dem zweiten Zeitpunkt 52 in dem gemessenen Signal 50 wird als Totzeit 60 der Breitband-Lambdasonde 25 für eine Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 von fett nach mager festgehalten. Wie bereits angeführt, kann eine entsprechende Auswertung auch für eine sprunghafte Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 von mager nach fett durchgeführt werden. Auf diese Weise können sowohl Abweichungen der Totzeit 60 von den Vorgabewerten als auch Unterschiede der Totzeiten 60 in Abhängig von der Richtung der Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 von fett nach mager oder von mager nach fett ermittelt werden.
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Das zweite Integral 55 des gemessenen Signals 50 gibt Auskunft über die Anstiegsgeschwindigkeit der Breitband-Lambdasonde 25. Je kleiner das zweite Integral 55 im Vergleich zu dem ersten Integral 45 des modellierten Signalverlaufs 40 wird, umso stärker ist die Breitband-Lambdasonde 25 im Vergleich zum Vorgabewert verlangsamt. Auch hier kann die Auswertung entsprechend dem beschriebenen Vorgehen für einen Sprung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von fett nach mager und von mager nach fett durchgeführt werden, so dass auch asymmetrische Änderungen der Anstiegsgeschwindigkeit der Breitband-Lambdasonde 25 erkannt werden können.
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Die Abweichung zwischen dem ersten Integral 45 und dem zweiten Integral 55 kann durch einen quantitativen Vergleichswert beschrieben werden. Dieser wird durch einen quantitativen Vergleich der beiden Integrale 45, 55, beispielsweise durch Berechnung der Differenz oder des Quotienten zwischen dem ersten Integral 45 und dem zweiten Integral 55 beziehungsweise zwischen dem zweiten Integral 55 und dem ersten Integral 55, gebildet. Der quantitative Vergleichswert kann leicht in der in 1 dargestellten Motorelektronik 24 ausgewertet werden.
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Für das Ende 56 des zweiten Zeitraums 54 ist ein betriebspunktabhängiger maximaler Zeitpunkt 57 festgelegt. Dieser maximale Zeitpunkt 57 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf den ersten Zeitpunkt 42 bezogen, kann aber auch beispielsweise auf den Zeitpunkt des Sprungs des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 bezogen sein. Das späteste zulässige Ende 56 des zweiten Zeitraums 54 ist auf den maximalen Zeitpunkt 57 begrenzt. Erfolgt die Reaktion des gemessenen Signals 50 aufgrund einer stark verlängerten Totzeit 60 der Breitband-Lambdasonde 25 sehr spät, so verschiebt sich die Kurve des gemessenen Signals 50 zu größeren Zeiten. Der zweite Zeitraum 54, also die Integrationszeit des gemessenen Signals 50, wird dann an dem maximalen Zeitpunkt 57 beendet, was zu einem kleinen zweiten Integral 55 führt. Auf diese Weise führen auch reine Totzeiten 60 in dem gemessenen Signal 50 der Breitband-Lambdasonde 25 zu kleinen Integralwerten. Der Wert des zweiten Integrals 55 ist dann ein Maß für die Anstiegsgeschwindigkeit der Breitband-Lambdasonde 25 wie auch für die Totzeit 60.
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Sowohl die Totzeit 60 als auch die Anstiegsgeschwindigkeit der Breitband-Lambdasonde 25 werden für einen Sprung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses 33 von mager nach fett und von fett nach mager bestimmt. Eine verlangsamte Breitband-Lambdasonde 25 wird erkannt, wenn die bestimmte Totzeit 60 über oder die Anstiegsgeschwindigkeit, ermittelt aus dem zweiten Integral 55 im Vergleich zu dem ersten Integral 45 des modellieren Signals 40, unter einem jeweils vorgegebenen Grenzwert liegt. Dazu wird sowohl für die Totzeit 60 als auch für die quantitativen Vergleichswerte der Integrale 45, 55 jeweils ein diskretes Filter berechnet, in die die Totzeiten 60 und die quantitativen Vergleichswerte als Eingangswerte eingehen und deren Ausgangswerte als die von Streuungen befreiten Testergebnisse betrachtet werden.
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Um die Auswirkungen einer asymmetrischen Verlangsamung der Breitband-Lambdasonde 25 auf die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine 1 zu kompensieren, wird bei Unterschieden zwischen den mager-fett- und den fett-mager-Diagnoseergebnissen ein Eingriff auf das eingestellte Kraftstoff-Luft-Verhältnis 33 gebildet. Zeigt sich in fett-mager Richtung eine geringere Dynamik der Breitband-Lambdasonde 25 als in mager-fett-Richtung, so wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis 33 erhöht, also angefettet. Zeigt sich in mager-fett-Richtung eine geringere Dynamik als in fett-mager-Richtung wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis 33 verringert, also abgemagert.
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Das Verfahren ermöglicht somit die Erkennung von Dynamikfehlern an Abgassonden, die sich auf die Anstiegsgeschwindigkeit und somit auf die Zeitkonstante der Abgassonde auswirken, wie von solchen, die sich auf die Totzeit 60 im Sondensignal auswirken. Weiterhin können separate Diagnosewerte für fett-mager- und für mager-fett-Übergänge gebildet werden. Aus den Diagnosewerten für fett-mager- und für mager-fett-Übergänge können Eingriffe in die Gemischsteuerung der Brennkraftmaschine 1 berechnet werden, welche die Auswirkung einer asymmetrischen Verlangsamung der Abgassonde auf die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine 1 kompensieren.
