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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Solche
Gegenstände sind bereits per se bekannt. Aus der Druckschrift
WO 2007/145372 A1 ist ferner
ein Verbrennungsmotor mit sechs V-förmig in zwei Gruppen
angeordneten Zylindern und zwei den Gruppen jeweils zugeordneten
Turboladern bekannt. Der Verbrennungsmotor wird von zwei Frischluftleitungen,
die jeweils mit einem Kompressor des Turboladers verbunden sind,
mit Frischluft versorgt. Die Frischluftleitungen vereinen sich nach
den Kompressoren unmittelbar vor den beiden Zylinderbänken
zu einem gemeinsamen Ansaugbereich. Abgasseitig strömen
die Abgase von den Zylinderbänken in je eine Abgasleitung,
die die Abgase über eine Turbine des Turboladers in den
Bereich der Abgasnachbehandlung leitet.
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Im
Stand der Technik ist außerdem ein Verfahren zum Betrieb
von mehrflutig ausgeführten Abgasnachbehandlungseinrichtungen
bekannt, die auf massenstrombezogenen Größen basieren.
Diese Größen werden mit Hilfe einer mittleren
Molmasse des Abgasmassenstroms oder einer Schätzung für die
spezifische Gaskonstante des Abgases unter Verwendung von Modellen
nahrungsweise bestimmt. Hierzu greifen bestimmte Funktionen des
zugehörigen Motorsteuergeräts auf die bekannten
Stoffdaten der Luft zurück. Nachteilig an diesem Verfahren
ist jedoch, dass die mittlere Molmasse des Abgasmassenstroms sowohl
von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ der motorischen
Kraftstoffverbrennung als auch von der Luftfeuchtigkeit der zugeführten
Frischluft abhängt. Dadurch werden die Schätzungen
des Abgasmassenstroms aufwändig und ungenau.
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Nach
einem weiteren bekannten Verfahren werden die Abhängigkeiten
der Abgasmassenströme von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors
in den jeweils getrennt verlaufenden Abgasleitungen für eine
Motorbaureihe ermittelt und in dem zugehörigen Steuergerät
als Kennfelder abgelegt. Während des Motorbetriebs kann
es jedoch zu Abweichungen des tatsächlichen Abgasmassenstroms
von der abgelegten Messreihe kommen, insbesondere aufgrund von Fertigungstoleranzen
und daraus resultierender Asymmetrien der Turbolader, so dass wegen
der Ungenauigkeit des ermittelten Abgasmassenstroms die Abgasnachbehandlung
ineffizient wird.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die
Aufgabe zugrunde, den Abgasmassenstrom eines Verbrennungsmotors in
einer einzelnen Abgasleitung auf einfache und wirtschaftliche Weise
möglichst exakt zu bestimmen. Diese Aufgabe wird jeweils
mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dadurch, dass der Abgasmassenstrom aus dem angesaugten Frischluftmassenstrom,
den gemessenen Temperaturwerten sowie den spezifischen Wärmekapazitäten
der Frischluft und des Abgases, die sich beispielsweise aus ohnehin
in dem verwendeten Motorsteuergerät abgelegten Kennfeldern
ergeben, ermittelt wird, kann in jeder Abgasleitung eine an den
jeweiligen Abgasmassenstrom genau angepasste Abgasnachbehandlung
erfolgen. Somit kann das Abgasnachbehandlungssystem optimal betrieben
werden. Die gesetzlichen Auflagen zu entsprechenden Fahrzyklen werden
erfüllt, die Lebensdauer der eingesetzten Katalysatoren
wird erhöht und die Fehlerdiagnose bei fehlerhafter Funktion
des Abgasnachbehandlungssystems wird vereinfacht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass der vor dem Kompressor gemessene Frischluftmassenstrom Im,Kom mittels eines Luftmassensensors ermittelt
wird. Die Messung der ansaugseitigen Frischluftmasse ist maßgebend
für die Reduzierung des Schadstoffausstoßes und
die Erhöhung des Fahrkomforts. Moderne Otto-Motoren erfassen
den angesaugten Luftmassenstrom mit Hilfe von Luftmassensensoren,
insbesondere um auf Grundlage des ausgegebenen Signals die einzuspritzende Kraftstoffmenge
und die Abgasrückführrate zu ermitteln. Ein ansaugseitiger
Luftmassenstromsensor ist also bei Otto-Motoren zumeist ohnehin
schon vorhanden. Bei modernen Dieselmotoren wird ein Luftmassensensor
standardmäßig eingesetzt, wobei das Signal als
Regelgröße für die Abgasrückführung
und als Steuergröße für eine Kennfeld-abhängige
Dieseleinspritzpumpe dienen kann. Somit ist beim modernen Dieselmotor
ein Luftmassensensor zur Erfassung des Frischluftmassenstroms vor
einem Kompressor ohnehin stets vorhanden, wodurch eine zusätzliche
Kosten verursachende Verwendung eines zusätzlichen Sensors
entfällt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
vorgeschlagen, dass zur Ermittlung des Abgasmassenstroms das Verhältnis
der Differenz der nach dem Kompressor gemessenen Frischlufttemperatur
T2 und der vor dem Kompressor gemessenen
Frischlufttemperatur T1 zur Differenz der
vor der Turbine gemessenen Abgastemperatur T3 und
der nach der Turbine gemessenen Abgastemperatur T4 gebildet
wird. Temperatursensoren werden in modernen Kraftfahrzeugen ohnehin
eingesetzt, um beispielsweise die Ansaug-/Ladelufttemperatur oder
die Abgastemperatur zu erfassen. Insofern können die Messwerte
bereits vorhandener Sensoren genutzt werden, und es sind keine zusätzlichen Sensoren
notwendig.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass zur Ermittlung des Massenstroms das Verhältnis
von der spezifischen Wärmekapazität cp,Kom der
den Kompressor durchströmenden Frischluft zur spezifischen
Wärmekapazität cp,Turb des
die Turbine durchströmenden Abgases gebildet wird. Diese
spezifischen Wärmekapazitäten sind zumeist modellmäßig
in einem Motorsteuergerät abgelegt und mittels Kennlinienzugriff abrufbar.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird der Abgasmassenstrom gemäß nachfolgender
Formel ermittelt: Im,Turb =
Im,Kom·cp,Kom·(T2 – T1)/(cp,Turb·(T3 – T4)), wobei Im,Kom der
vor einem Kompressor gemessene Frischluftmassenstrom, cp,Kom die
spezifische Wärmekapazität der den Kompressor
durchströmenden Frischluft, T2 die
nach dem Kompressor gemessene Frischlufttemperatur, T1 die vor
dem Kompressor gemessene Frischlufttemperatur, cp,Turb die
spezifische Wärmekapazität des die Turbine durchströmenden Abgases,
T3 die vor der Turbine gemessene Abgastemperatur
und T4 die nach der Turbine gemessene Abgastemperatur
ist. Die vorgeschlagene Funktion ermöglicht es, den Abgasmassenstrom
zylinderbankspezifisch in Abhängigkeit der gemessenen Größen T1 bis T4 und Im,Kom in Kombination mit den modellmäßig
in einem Steuergerät verfügbaren Stoffwerten cp,Kom und cp,Turb zu
berechnen, wobei auf die Messwerte bereits vorhandener Temperatursensoren
zurückgegriffen werden kann. Mit dieser Formel ist der Abgasmassenstrom
zylinderbankspezifisch genau bestimmbar. Mit Hilfe des ermittelten
Werts ist ein optimaler Betrieb der jeweiligen Abgasanlage gewährleistbar.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die spezifische Wärmekapazität cp,Kom der
den Kompressor durchströmenden Frischluft und/oder des
die Turbine durchströmenden Abgases cp,Turb in
Abhängigkeit von Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors
in einem Steuergerät berechnet wird. Die Berechnung einer spezifischen
Wärmekapazität als Mischgröße
auf Basis einer Kennlinie, die sich mit der Gaszusammensetzung ändert,
führt zu genaueren Daten für die nachfolgende
Berechnung des Abgasmassenstroms als eine vorgegebene Konstante.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Übersicht über einen Verbrennungsmotor
mit zwei Zylinderbänken, mehreren den Zylinderbänken
jeweils zugeordneten Turboladern sowie mehreren zugehörigen
Luft- und Abgasleitungen; und
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2 eine
schematische Darstellung des einzelnen Turboladers mit Kompressor
und Turbine sowie mehreren dazugehörigen Sensoren.
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Bei
einem Großteil der heute eingesetzten Verbrennungsmotoren
ergibt sich in Bezug auf die Abgasanlage die Forderung, aus Gründen
eines geringeren Abgasgegendrucks für jede Zylinderbank eine
eigene Strömungsführung vorzusehen. Auch das Luftsystem,
welches die Frischluft für den Motor bereitstellt, weist
zumindest abschnittsweise zumeist zwei Strömungsführungen
auf. Ein Motor mit einer solchen Strömungsführung
ist mit seinen wesentlichen Komponenten einschließlich
einem Motorsteuergerät und mehreren Sensoren in 1 dargestellt.
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1 zeigt
einen Dieselmotor 1 mit sechs Zylindern 3, die
V-förmig in zwei Zylinderbänken 5a und 5b mit
jeweils drei Zylindern 3 angeordnet sind. Jeder der Zylinderbänke 5a, 5b ist
ein Turbolader 7a bzw. 7b zugeordnet, der einen
Kompressor 9a bzw. 9b und eine Turbine 11a bzw. 11b umfasst. Über
zwei Luftleitungen 13a und 13b saugen die Kompressoren 9a bzw. 9b Frischluft
an, um diese auf einen gewünschten Ladedruck zu verdichten.
Die von den Kompressoren 9a, 9b komprimierte Luft
gelangt über je eine weitere Luftleitung 20a, 20b in
einen gemeinsamen Abschnitt 22, in dem die beiden Luftströme der
Luftleitungen 20a, 20b gemischt werden. In dem gemeinsamen
Abschnitt 22 befindet sich ein Ladeluftkühler 24,
der die verdichtete Luft für die Füllung des Motors
rückkühlt. Die Zusammenführung der beiden
Luftströme erfolgt z. B. mit dem Ziel, einen gemeinsamen
Ladeluftkühler 24 für beide Zylinderbänke 5a, 5b verwenden
zu können. Die gekühlte Luft wird anschließend
den Zylindern 3 zugeleitet und gelangt über ein
Einlassventil in deren jeweiligen Brennraum. Nach jedem Verbrennungsvorgang
gelangen die Abgase über ein Auslassventil grundsätzlich
von dem jeweiligen Zylinder 3 über eine von zwei
bankspezifischen Abgasleitungen 26a und 26b zu
den Turbinen 11a und 11b der Turbolader 9a bzw. 9b.
Im Teillastbetrieb des Motors 1 wird jedoch ein Teil des Abgases über
eine Abgasrückführung 28a, 28b der angesaugten
Frischluft beigemischt, wobei der Anteil des Abgases mit Hilfe zweier
Abgasrückführungsventile 30a, 30b geregelt
bzw. gesteuert wird. Die Turbinen 11a, 11b nutzen
die Abgasenergie, um die Kompressoren 9a bzw. 9b anzutreiben.
Von den Turbinen 11a, 11b strömt das
Abgas in mehrere zugeordnete Abgasleitungen 26a, 26b,
wo die Schadstoffe der Abgase durch zwei Abgasnachbehandlungssysteme 29a, 29b erheblich
reduziert werden.
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Zur
Einhaltung gesetzlicher Abgasvorschriften müssen innermotorische
Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung durch Maßnahmen
zur Abgasnachbehandlung ergänzt werden. Im Rahmen der Abgasnachbehandlung
des Dieselmotors 1 müssen besonders Stickoxide
und Ruß reduziert werden.
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Jedes
der beiden bankspezifischen Abgasnachbehandlungssysteme 29a, 29b des
vorliegend beschriebenen Dieselmotors 1 umfasst daher neben einem
Oxidationskatalysator, der zur Oxidation des im Abgas befindlichen
Kohlenmonoxides (CO) und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC)
dient, einen Partikelfilter zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas
befindlichen Rußpartikel sowie eine Vorrichtung zur Reduktion
der Stickoxidemissionen. Ein Beispiel eines Abgasreinigungsverfahrens
mit Reduktionsmittel ist die Selektive Katalytische Reduktion (SCR)
der NOx-Emissionen. Hierbei erfolgt eine
Reduzierung des Stickoxidanteils mit Hilfe eines speziellen Reduktionsmittels,
das zwischen den Motor 1 und einen nachgeschalteten Katalysator
ins Abgas gesprüht wird. Dieser Einsprühvorgang
wird von einer Motorsteuerung 17 geregelt. Ein alternatives Abgasreinigungsverfahren
nutzt einen NOx-Speicherkatalysator. Dessen
Funktionsprinzip besteht darin, dass während der „mageren” Phasen,
bei denen der Motor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 läuft,
die produzierten Stickoxide zwischengespeichert werden, und diese
in Phasen mit λ < 1
zu N2 und CO2 umgewandelt
werden.
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Damit
die Schadstoffe durch das Abgasnachbehandlungssystem 29a bzw. 29b in
der jeweiligen Fahrsituation optimal reduziert werden, wird es von
dem Motorsteuergerät 17 überwacht und
gesteuert. Hierbei muss das Steuergerät 17 neben
intensiven Zustandsgrößen wie Druck oder Temperatur auch
den Frischluft- beziehungsweise den Abgasmassenstrom als extensive
Zustandsgröße erfassen bzw. ermitteln können.
Für den optimalen Betrieb des Systems 29a, 29b,
insbesondere in Hinblick auf gesetzliche Vorgaben, aber auch mit
Blick auf die Lebensdauer der verwendeten Katalysatoren, und für die
Diagnose im Fehlerfall, ist die genaue Ermittlung des Abgasmassenstroms
besonders wichtig.
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Bei
vollständig zweiflutig ausgeführten Luft- und
Abgassystemen ohne gemeinsamen Abschnitt 22 lässt
sich der Abgasmassenstrom grundsätzlich mit Hilfe eines
(ohnehin) vor dem Kompressor 9a, 9b vorhandenen
Luftmassensensors 15a bzw. 15b bestimmen. Derartige
getrennte Strömungsführungen haben jedoch den
Nachteil, dass sie auch mehrere Wärmetauscher 24 zur
Ladeluftkühlung erfordern. Demgegenüber verfügt
der vorliegende Dieselmotor 1 über den gemeinsamen
Ladeluftkühler 24 in einer abschnittsweise vor
den Zylinderbänken 5a, 5b einflutig ausgeführten Strömungsführung,
wobei durch den Einsatz des einzigen Ladeluftkühlers 24 Kosten und
Bauraum gespart werden. Durch die Vermischung der beiden Luftströme
aus den Luftleitungen 20a, 20b im gemeinsamen
Ladeluftkühler 24 entspricht ein bankspezifischer
Abgasmassenstrom nicht notwendigerweise mehr dem jeweils angesaugten
Luftmassenstrom. Dies führt zu dem Problem, dass der Abgasmassenstrom
je Abgasleitung 26a, 26b nicht mehr allein aus
dem Wert des bankspezifischen Luftmassensensors 15a bzw. 15b und
der insgesamt eingespritzten Kraftstoffmenge bestimmt werden kann.
Dieses Problem wird noch verstärkt durch die bankselektive
oder gemeinsame Abgasrückführung 28a, 28b.
Deshalb müssen für die Ermittlung des bankspezifischen
Abgasmassenstroms zusätzliche Sensordaten verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach vor,
dass das Motorsteuergerät 17 den bankspezifischen
Abgasmassenstrom in Abhängigkeit von dem bankspezifischen
Luftmassenstrom und, anstelle von der eingespritzten Kraftstoffmenge, in
Abhängigkeit von anderen Parametern ermittelt. Selbstverständlich
wird hierbei vorzugsweise auf ohnehin standardmäßig
im Motorbereich integrierte Sensoren zurückgegriffen, so
dass der Einbau und Betrieb zusätzlicher Sensoren entfällt
bzw. die Anzahl der zusätzlich erforderlichen Sensoren
minimiert wird.
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Das
Motorsteuergerät 17 ist dazu eingerichtet, insbesondere
programmiert, den bankspezifischen Abgasmassenstrom in Abhängigkeit
von einem bankspezifischen Luftmassenstrom sowie von vier Temperaturwerten
zu ermitteln. 1 und insbesondere 2 zeigen
exemplarisch eine bankspezifische Anordnung mehrerer Sensoren 15a, 35, 37, 39 und 41,
deren Signale für die Ermittlung des Abgasmassenstroms
verarbeitet werden.
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Standardmäßig
werden beim Betrieb des Dieselmotors 1 die Massenströme
mehrerer von den Kompressoren 9a, 9b angesaugter
Frischluftströme 31a, 31b durch die Luftmassensensoren 15a bzw. 15b,
die ohnehin in die Luftleitungen 13a bzw. 13b eingebaut
sind, gemessen und als Luftmassenstromwerte IM,Kom_a bzw.
IM,Kom_b an das Motorsteuergerät 17 übertragen.
Einer der beiden bankspezifischen Luftmassenstromwerte, vorliegend
der Wert IM,Kom_a, wird für die
nachfolgende Berechnung des Abgasmassenstroms genutzt. In dem gleichen,
zu der Zylinderbank 5a gehörenden Luftsystem bzw.
dem entsprechenden Abgassystem werden auch mehrere Temperaturwerte
T1 bis T4 gemessen.
Der Frischlufttemperaturwert T1 wird vor
dem Kompressor 9a in der Luftleitung 13a und die
Frischlufttemperatur T2 nach dem Kompressor 9a in
der Luftleitung 20a gemessen. Als Abgastemperaturwert T3 wird die Temperatur des Abgases in der
Abgasleitung 26a vor der Turbine 11a und als Abgastemperatur
T4 die Temperatur des Abgasstroms 33a in der Abgasleitung 26a nach
der Turbine 11a ermittelt und an das Steuergerät 17 übertragen.
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Das
Steuergerät 17 berechnet den bankspezifischen
Abgasmassenstrom Im,Turb_a gemäß der
Formel Im,Turb_a = Im,Kom_a·cp,Kom·(T2 – T1)/(cp,Turb·(T3 – T4)). Dabei bestimmt das Steuergerät 17 die
spezifischen Wärmekapazitäten cp,Turb und
cp,Kom vorteilhafterweise mit Hilfe von
Kennfeldern und/oder in Abhängigkeit von Motorbetriebsgrößen
wie der Einspritzmenge, der Drehzahl, des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ etc. Die
entsprechenden Kennfelder beziehungsweise Funktionen sind also bereits
im Steuergerät 17 abgelegt und vorhanden. In Abhängigkeit
von der insgesamt angesaugten Luft und dem bankspezifischen Abgasmassenstrom
Im,Turb_a der Zylinderbank 5a kann zudem
der Abgasmassenstrom Im,Turb_b der zweiten Zylinderbank 5b für
die Abgasnachbehandlung bestimmt werden, ohne dass hierfür
bspw. die Temperatur des Abgasstroms 33b erfasst werden
müsste.
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Die
bis hier beschriebene Berechnung des Abgasmassenstroms bezog sich
auf eine Zylinderbank. In der bis hier erläuterten Ausgestaltung
ist dies die Zylinderbank 5a.
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Die
Berechnung des Abgasmassenstroms der anderen Zylinderbank erfolgt
in einer ersten Alternative dadurch, dass der gesamte Abgasmassenstrom
des Verbrennungsmotors ermittelt wird und dass der für
eine Zylinderbank berechnete Abgasmassenstrom davon subtrahiert
wird. Der gesamte Abgasmassenstrom ergibt sich dabei als Summe aller
Stoffströme zum Verbrennungsmotor, also als Summe aller
Luftströme und Kraftstoffströme. Die Luftströme
ergeben sich dabei aus den Signalen der beiden Luftmassenmesser 15a, 15b.
Die Kraftstoffmassenströme sind im Steuergerät 17 bekannt,
da das Steuergerät 17 die Dosierung steuert. Der
Vorteil dieser Alternative liegt darin, dass nur eine der beiden
Zylinderbänke die Gesamtheit der in der 2 dargestellten
Sensoren aufweisen muss.
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In
einer zweiten Alternative erfolgt die Berechnung des Abgasmassenstroms
einer zweiten Zylinderbank genauso wie bei der ersten Zylinderbank. Diese
Alternative erfordert, dass beide Zylinderbänke jeweils
einzeln die in der 2 dargestellten Sensoren aufweisen.
Der Vorteil dieser Alternative liegt darin, dass die für
eine Bank erfolgende Berechnung jeweils durch die für die
andere Bank erfolgende Berechnung und eine Gesamtbilanz der Stoffströme überprüfbar
ist.
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Als
Steuergerät 17 wird vorzugsweise die Electronic
Diesel Control (EDC) der Firma Bosch eingesetzt. Diese elektronische
Dieselsteuerung sendet entsprechende Steuersignale 43, 45, 47 zum
Motor 1, zu den Abgasnachbehandlungssystemen 29a und 29b bzw.
zu den Abgasrückführungsventilen 30a und 30b.
Sie ermöglicht eine sehr exakte Steuerung des zeitlichen
Einspritzverhaltens sowie eine sehr genaue Kraftstoffmengenzuteilung.
Die elektronische Steuerung der Einspritzanlage ermöglicht
insbesondere die Einhaltung verschärfter Abgasgrenzwerte. Das
EDC erhält bislang insbesondere Sensordaten über
die Ansauglufttemperatur sowie über den angesaugten Luftmassenstrom.
Diesbezüglich kann daher auf den Einsatz zusätzlicher
Sensoren verzichtet werden.
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Als
Luftmassensensor 15a, 15b kommt vorzugsweise ein
Heißfilm-Anemometer (HFM) zum Einsatz.
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Die
Erfindung ermöglicht es somit, unter Rückgriff
auf zumindest teilweise ohnehin vorhandene Sensorikdaten auf einfache
und kostengünstige Weise den Abgasmassenstrom je Abgasleitung 26a, 26b zu
bestimmen.
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Die
Erfindung wurde am Beispiel eines Dieselmotors erläutert.
Es versteht sich aber, dass sie nicht auf die Verwendung bei einem
bestimmten Brennverfahren beschränkt ist, sondern z. B.
auch bei Otto-Motoren oder Mischformen verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/145372
A1 [0002]
