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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors in einem Verbund von Steuereinrichtungen eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Verbund von Steuereinrichtungen eines Kraftfahrzeuges, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegriff des jeweiligen nebengeordneten Anspruchs.
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Stand der Technik
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Zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungseinrichtung ist unter anderem die Ermittlung der Abgastemperatur an unterschiedlichen Positionen eines Abgasrohrs je nach Bedarf notwendig. Die Abgastemperatur wird beispielsweise zum Betreiben von Katalysatoren und zur Ermittlung einer nötigen Regeneration eines Oxidationskatalysators oder eines Partikelfilters benötigt.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Ermittlung einer Abgastemperatur in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung bekannt. Die Abgastemperatur wird bekanntermaßen entweder durch Temperatursensoren ermittelt, indem das von den Temperatursensoren ausgegebene Signal in einer Steuereinrichtung ausgewertet wird, oder mit Hilfe von Abgastemperaturmodellen bestimmt, indem aus in einer Steuereinrichtung bekannten Betriebsgrößen unter Berücksichtigung von thermodynamischen und physikalischen Zusammenhängen eine Temperatur im weitesten Sinn berechnet wird.
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Auch beispielsweise die Funktion eines Active Noise Canceling-(ANC-)Systems zur aktiven Geräuschminderung im Abgasrohr wird von der Abgastemperatur beeinflusst, insbesondere von der Abgastemperatur im Endrohr des Abgasrohrs.
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Beim ANC-System wird in einer Steuereinrichtung ein Abgasgeräusch im Bereich des Endrohrs analysiert, das mit einem im Endrohr angeordneten Mikrofon elektronisch erfasst wird. Anschließend wird über die Steuereinrichtung über einen im Bereich des Endrohrs vor – oder nachgeschalteten Lautsprecher ein entsprechendes, zum analysierten Abgasgeräusch erzeugtes Gegensignal ausgesandt, das mit annähernd gleicher Amplitude, aber gegenläufiger Phase erzeugt wird. Dies führt zu einer deutlichen Geräuschminderung.
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Das ANC-System wird bevorzugt von einer separaten Steuereinrichtung gesteuert, die aus Kostengründen und wegen einer Einsparung von Bauraum üblicherweise mit verhältnismäßig geringen Ressourcen ausgestattet ist. In solch einer Steuereinrichtung ist beispielsweise nicht vorgesehen, Temperatursensorsignale auszuwerten. Zudem wäre die Verwendung von Sensoren kostspielig und fehleranfällig. Der Steuereinrichtung steht dabei nur ein begrenztes Angebot an Betriebsparametern zur Verfügung, beispielsweise nur Basisparameter wie Motordrehzahl, Motordrehmoment, Fahrzeuggeschwindigkeit, etc. Diese Basisparameter oder sog. allgemeinen Kraftfahrzeugdaten, werden z. B. auf einem normierten Bussystem (z. B. Controller Area Network-(CAN-)Bus nach ISO 11898) angeboten. Abgastemperaturen, sowie andere Verbrennungsparameter des Verbrennungsmotors gehören in der Regel nicht zu diesen Parametern und sind deshalb in der separaten Steuereinrichtung zunächst unbekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine zweite (separate) Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs aus auf dem Bussystem übertragenen Werten der Betriebskenngrößen die Abgastemperatur bestimmt.
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Die erste Steuereinrichtung kann dabei ein Motorsteuergerät oder ein Getriebesteuergerät sein; die zweite Steuereinrichtung ist beispielsweise dazu bestimmt, ein ANC-System zur Geräuschminderung im Abgasrohr zu steuern. Alle Steuereinrichtungen im Kraftfahrzeug sind durch ein Bussystem miteinander verbunden.
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Der Erfindung liegt also die Idee zu Grunde, ein in der zweiten Steuereinrichtung ausführbares Abgastemperaturmodell zu implementieren, das primär aus wenigen Basisparametern zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung von physikalischen und besonders thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten sowie sekundär von ausgewählten Einflussparametern eine Abgastemperatur, insbesondere im Endrohr des Abgasrohrs ermittelt. Die Basisparameter können dabei beispielsweise die Motordrehzahl und das Motordrehmoment sein. Einflussparameter, die die Abgastemperatur beeinflussen können, sind beispielsweise eine Motortemperatur, eine Abstellzeit des Verbrennungsmotors, eine Umgebungstemperatur und/oder eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Weitere Einflussparameter sind durchaus denkbar. Die genannten Basisparameter und die Einflussparameter sind beispielsweise im Verbund der verschiedenen Steuereinrichtungen des Kraftfahrzeugs auf dem CAN-Bus verfügbar und können dort vorteilhafterweise von der Steuereinrichtung sicher und jederzeit abgefragt werden. Die Einflussparameter werden zur Wirkungsweise des Abgastemperaturmodells deswegen herangezogen, damit die von dem Temperaturmodell ermittelte Temperatur möglichst geringe Abweichungen von einer realen (gemessenen) Temperatur aufweist und dadurch entsprechend nachjustiert werden kann.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf kostspielige und fehleranfällige Temperatursensoren verzichtet werden. Der CAN-Bus kann ohne kostentreibenden Aufwand an die Steuereinrichtung angeschlossen werden; standardisierte Software-Routinen in der Steuereinrichtung ermöglichen ein einfaches Auslesen der benötigten Parameter. Die durch das Temperaturmodell ermittelte Abgastemperatur, sowie auch Teilergebnisse des Temperaturmodells, stehen vorteilhafterweise natürlich auch für weitere interne Berechnungen in der Steuereinrichtung zur Verfügung.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren und deren Erläuterung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 das Umfeld der Erfindung;
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2 ein Diagramm zur Darstellung einer Abgastemperatur in Abhängigkeit von einem effektiven Mitteldruck in einem Zylinder und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors;
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3 ein Blockschaltbild mit dem Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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4 ein Messdiagramm zur Darstellung einer Abweichung einer durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmten Abgastemperatur in einem Endrohr von real gemessenen Werten am Endrohr.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 15, der als Benzinmotor oder als Dieselmotor ausgebildet sein kann, mit einem Abgassystem 13 in einem Kraftfahrzeug. Der Verbrennungsmotor 15 weist Einspritzventile 16 für Kraftstoff auf (in 1 ist nur ein Einspritzventil 16 dargestellt), die mit einem Motorsteuergerät 17 verbunden sind. Über ein Saugrohr 19 wird Luft (Pfeil 21) in Brennräume (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 15 gesaugt. Das Saugrohr 19 kann alternativ oder ergänzend Sensoren zum Erfassen verschiedener Zustandsgrößen der Luft 21, wie beispielsweise eine Lufttemperatur und/oder einen Luftdruck und/oder einen Luftmassenstrom (nicht dargestellt) aufweisen. Zudem kann im Saugrohr 19 eine Drosselvorrichtung als Luftmengenstellglied zum Beeinflussen des Luftmassenstroms vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Abgasrückführventil, ein Ladedruckventil oder ein Stellglied zur Verstellung der Geometrie eines Abgasturboladers als Luftmengenstellglied verwendet werden. Ferner kann im Saugrohr 19 ein Verdichter des Luftsystems zum Verdichten der dem Verbrennungsmotor 15 zugeführten Luft 21 angeordnet sein, wobei der Verdichter wiederum einen Teil eines Abgasturboladers bilden kann.
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Das Abgassystem 13 weist ein Abgasrohr 23 auf, das die Abgase 24 des Verbrennungsmotors 15 aufnimmt und ableitet. Zwischen einem ersten Abschnitt 25 und einem zweiten Abschnitt 27 des Abgasrohrs 23 ist ein Vorkatalysator 29 (Benzinmotor) beziehungsweise ein Oxidationskatalysator 29 (Dieselmotor) angeordnet.
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Ein Ausgang des Vor-/Oxidations-Katalysators 29 ist über den zweiten Abschnitt 27 des Abgasrohrs 23 mit einem Eingang eines Hauptkatalysators 33 (Benzinmotor) beziehungsweise eines Partikelfilters 33 (Dieselmotor) verbunden. In Strömungsrichtung können vor und/oder hinter den Katalysatoren 29 und 33 noch Abgassensoren (nicht dargestellt) angeordnet sein. Außerdem kann bei Dieselmotoren noch in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter 33 ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reaktion angeordnet sein (nicht dargestellt). Hinter dem Katalysator 33 strömt das Abgas in einen dritten Abschnitt 37 des Abgasrohrs 23. Im Abschnitt 37 sind Schalldämpfer 39 angeordnet. Üblicherweise durchströmt das Abgas dabei zunächst einen Vorschalldämpfer und anschließend einen Endschalldämpfer (nicht separat dargestellt). Der Ausgang der Schalldämpfer 39 mündet in einen vierten Abschnitt, dem Endrohr 41 des Abgasrohrs 23. Das Abgas im Endrohr 41 ist mit dem Bezugszeichen 42 gekennzeichnet.
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Im Endrohr 41 ist ein Active Noise Canceling-(ANC-)System 43 vorgesehen. Das ANC-System 43 wird von einer separaten Steuereinrichtung 45 gesteuert. Die Steuereinrichtung 54 ist über ein Controller Area Network-(CAN-)Bus 47 mit dem Motorsteuergerät 17 verbunden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Einrichtung der Steuereinrichtung 45 durch Laden eines Computerprogramms mit den Merkmalen des unabhängigen Computerprogramm-Anspruchs von einem Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des unabhängigen Computerprogramm-Produktanspruchs. Unter einem Computer-Programm-Produkt wird insofern jede Datei oder Sammlung von Dateien verstanden, die das Computerprogramm in gespeicherter Form enthält, sowie jeder Träger, der eine solche Datei oder Sammlung von Dateien enthält.
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Das ANC-System 43 dient neben der Geräuschminderung durch die Schalldämpfer 39 zu einer zusätzlichen aktiven Geräuschminderung im Endrohr 41 des Abgasrohrs 13. Dabei wird in der Steuereinrichtung 45 das Abgasgeräusch mit einem im Endrohr 41 angeordneten Mikrofon (nicht dargestellt) elektronisch erfasst und analysiert. Anschließend wird über die Steuereinrichtung 45 über einen im Endrohr 41 vor- oder nachgeschalteten Lautsprecher (nicht dargestellt) ein entsprechendes Gegensignal ausgesandt, das mit annähernd gleicher Amplitude, aber gegenläufiger Phase erzeugt wird. Die Funktion der Geräuschminderung des ANC-Systems 43 wird dabei von der Abgastemperatur des Abgases 42 im Endrohr 43 beeinflusst, wobei die Abgastemperatur der Steuereinrichtung 45 nicht separat zugeführt wird und auch nicht auf dem angeschlossenen CAN-Bus 47 zur Verfügung steht.
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2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Abgastemperatur T in Abhängigkeit von einem effektiven Mitteldruck P in einem Zylinder und einer Drehzahl D des Verbrennungsmotors 15. Der effektive Mitteldruck P korreliert mit dem Drehmoment des Verbrennungsmotors. Die Abgastemperatur T des Abgases 24, also direkt hinter dem Auslass des Verbrennungsmotors 15, ist im Wesentlichen eine Funktion in Abhängigkeit der Drehzahl D und dem effektiven Mitteldruck P im Zylinder des Verbrennungsmotors 15 gemäß 2. 2 zeigt, dass einerseits bei einer beispielhaft angenommenen Drehzahl von D = 3000 1/min je nach der Größe des effektiven Mitteldrucks P die Abgastemperatur T zwischen 500C° und 750C° variieren kann. Andererseits ist bei einem beispielhaft angenommenen effektiven Mitteldruck von P = 6 bar eine Abgastemperatur T zwischen 400C° und 850C° möglich.
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Da die Information über den aktuellen effektiven Mitteldrucks P jedoch auf dem CAN-Bus 47 nicht zur Verfügung steht, wird zur Ermittlung der Abgastemperatur T ersatzweise ein physikalisch resultierendes Drehmoment M des Verbrennungsmotors 15 verwendet. Diese Größe steht auf dem CAN-Bus 47 zur Verfügung.
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3 zeigt ein Blockschaltbild von Funktionen der Steuereinrichtung 45 als Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Ermittlung der Abgastemperatur T im Endrohr 41 des Abgasrohrs 13 mit Hilfe eines Abgastemperaturmodells. Als Eingangsparameter für das Abgastemperaturmodell werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Basisparameter die Motordrehzahl D und ein inneres Motordrehmoment M über den CAN-Bus 47 zyklisch abgefragt; als Einflussparameter, die die durch Motordrehzahl D und ein inneres Motordrehmoment M ermittelte Abgastemperatur beeinflussen, stehen auf dem CAN-Bus 47 die Motortemperatur Tmot und die Fahrzeuggeschwindigkeit V zur Verfügung. Geeignete Einflussparameter können in einer weiteren Ausgestaltung auch eine Abstellzeit des Verbrennungsmotors und/oder eine Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs sein, die in der Regel auch auf dem CAN-Bus 47 angeboten werden.
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Im Verarbeitungsblock 100 werden die Motordrehzahl D und das Motordrehmoment M vom CAN-Bus 47 gelesen und derart über Kennlinien oder Kennfelder verarbeitet, dass eine modellierte Abgasrohtemperatur Ton des in 1 bezeichneten Abgases 24 bestimmt werden kann. Die Kennlinien oder Kennfelder bilden dabei physikalische und besonders thermodynamische Gesetzmäßigkeiten nach. Dabei wird beispielsweise eine Motorlast berücksichtigt, die die Eingangsgrößen M zu Mdämpf und D zu Ddämpf dämpfen. Die gedämpften Eingangsgrößen Mdämpf und Ddämpf sowie die Abgasrohtemperatur Troh werden zu einer möglichen weiteren Verwendung – auch außerhalb des Abgastemperaturmodells – in der Steuereinrichtung 45 zur Verfügung gestellt.
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In den weiteren Verarbeitungsblöcken 110 bis 140 wird die modellierte Abgasrohtemperatur Troh auf die Gegebenheiten am Endrohr 41 des Abgasrohrs 13 möglichst exakt angepasst.
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Im Verarbeitungsblock 110 wird als erster Einflussparameter die Motortemperatur Tmot berücksichtigt. Insbesondere bei einem Motorwarmlauf nach einem Kaltstart hat der Verbrennungsmotor 15 und das Abgasrohr 13 noch die Temperatur der Umgebung und kühlt dabei das durchströmende Abgas ab, so dass zunächst abgekühltes Abgas das Endrohr 41 durchströmt. Das Abgas erwärmt durch Konvektion und Wärmeleitung im Laufe des Motorwarmlaufs dabei allmählich das Abgasrohr 13. Außerdem ist bei einem Kaltstart das Kraftstoff-Luft-Gemisch relativ fett, was ebenfalls zu einer Verringerung der Abgastemperatur führt. Diese Einflüsse werden in einer Kennlinie oder Kennfeld berücksichtigt, so dass ein Korrekturfaktor Tkorr für die Abgastemperatur am Endrohr 41 ermittelt wird, der mit der modellierten Abgasrohtemperatur Troh multipliziert wird. Der Korrekturfaktor Tkorr wird zu einer möglichen weiteren Verwendung – auch außerhalb des Abgastemperaturmodells – in der Steuereinrichtung 45 zur Verfügung gestellt.
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Im Verarbeitungsblock 120 wird als zweiter Einflussparameter die Fahrzeuggeschwindigkeit V berücksichtigt. Die Motordrehzahl D ist im Stand des Kraftfahrzeugs (V = 0) beim ”Gas geben” vergleichsweise höher als im Fahrbetrieb. Ein Anstieg der Motordrehzahl D wird jedoch im Verarbeitungsblock 100 als einen starken Temperaturanstieg des Abgases interpretiert. Da der Verbrennungsmotor 15 jedoch im Stand nicht unter Last steht, muss in diesem Fall die modellierte Abgastemperatur Troh nach unten korrigiert werden. Je höher die Motordrehzahl D im Stand ist, desto niedriger ist der Korrekturfaktor Vkorr, der mit der modellierten Abgasrohtemperatur Troh multipliziert wird. Vkorr wird dabei in Abhängigkeit der im Verarbeitungsblock 100 ermittelten gedämpften Drehzahl Ddämpf bei Fahrzeuggeschwindigkeit V = 0 über eine Kennlinie ermittelt. Der Korrekturfaktor Vkorr wird zu einer möglichen weiteren Verwendung – auch außerhalb des Abgastemperaturmodells – in der Steuereinrichtung 45 zur Verfügung gestellt. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann auch die unterschiedliche Fahrtwindkühlung des Abgasrohrs 13 beim Fahren des Kraftfahrzeugs bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.
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Im Verarbeitungsblock 130 wird eine Bauteiltemperatur TBendrohr des Endrohrs 41 im Abgastemperaturmodell berücksichtigt. Die Schalldämpfer 39, insbesondere der Endschalldämpfer, können dabei mit berücksichtigt werden. Da weder die Bauteiltemperatur des Abgasrohrs 13 noch die des Endrohrs 41 auf dem CAN-Bus 47 zur Verfügung steht, muss auch diese modelliert werden. Die Modellierung der Bauteiltemperatur TBendrohr beim Erwärmen erfolgt über eine starke Dämpfung der Abgasrohtemperatur Troh, da die Bauteile über das Abgas erwärmt werden und die thermische Trägheit der Bauteileeinzelne Temperaturspitzen des Abgases dämpft. Beim Abkühlen, wie es beispielsweise in einem Schiebebetrieb des Kraftfahrzeugs möglich ist, wobei die Abgasrohtemperatur Troh niedriger als die Bauteiltemperatur TBendrohr sein kann, wird berücksichtigt, dass die Abkühlung erst mit einer starken Verzögerung einsetzt, da das Abgas durch die aufgeheizten Bauteile zunächst noch erwärmt wird. Dazu wird die im Verarbeitungsblock 100 ermittelte Abgasrohtemperatur Troh über eine Kennlinie oder ein Kennfeld bewertet, um einen Wert der Bauteiltemperatur zu gewinnen, beziehungsweise um den Korrekturfaktor TBKorr zu bestimmen.
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Die Abgasrohtemperatur Troh spiegelt dabei einen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 15 wider. Bei einer Bewertung des Betriebszustands wird berücksichtigt, dass je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors 15 die Bauteile unterschiedlich viel Wärme speichern. Die Ausgangsparameter des Verarbeitungsblock 130 sind eine Bauteiltemperatur TBendrohr des Endrohrs 41, sowie ein Korrekturfaktor TBkorr für die Abgasrohtemperatur Troh. Der Korrekturfaktor TBkorr wird mit der Abgasrohtemperatur Troh multipliziert. Der Korrekturfaktor TBkorr und die Bauteiltemperatur TBendrohr werden zu einer möglichen weiteren Verwendung – auch außerhalb des Abgastemperaturmodells – in der Steuereinrichtung 45 zur Verfügung gestellt.
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Das Abgastemperaturmodell ermittelt also alle relevanten Korrekturfaktoren, insbesondere die drei Korrekturfaktoren Tkorr, Vkorr und TBkorr. Dabei wird Tkorr, im Verarbeitungsblock 110 ermittelt, Vkorr im Verarbeitungsblock 120, und TBkorr wird im Verarbeitungsblock 130 ermittelt. Diese Korrekturfaktoren werden alle mit der im Verarbeitungsblock 100 ermittelten Abgasrohtemperatur Troh multipliziert. Weitere Korrekturfaktoren, wie beispielsweise eine Abstellzeit des Verbrennungsmotors 15 oder eine Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs, können in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens auch berücksichtigt werden. Das endgültige Produkt ist eine Abgastemperatur Tendrohr im Endrohr 41 des Abgasrohrs 13, die allerdings durch schnell schwankendes Lastverhalten des Verbrennungsmotors 15 Überschwinger aufweist. Die Abgastemperatur Tendrohr wird zu einer möglichen weiteren Verwendung – auch außerhalb des Abgastemperaturmodells – in der Steuereinrichtung 45 zur Verfügung gestellt.
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Im Verarbeitungsblock 140 wird die bisher ermittelte Abgastemperatur Tendrohr im Endrohr 41 über eine Kennlinie von Überschwingern befreit und dadurch geglättet. Es kommt dabei zu einer weiteren Dämpfung der Abgastemperatur Tendrohr. Das Ergebnis ist die endgültige modellierte Abgastemperatur T im Endrohr 41, die zur weiteren Verwendung, beispielsweise für die Steuerung des ANC-Systems 43, in der Steuereinrichtung 45 zur Verfügung gestellt wird. Zu einer möglichen weiteren Verwendung außerhalb des Abgastemperaturmodells wird die endgültige Abgastemperatur T im Endrohr 41 in der Steuereinrichtung 45 zur Verfügung gestellt.
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4 zeigt ein Messdiagramm zur Darstellung einer Abweichung einer durch das erfindungsgemäßes Abgastemperaturmodell bestimmten Abgastemperatur T im Endrohr 41 zu real gemessenen Werten am Endrohr 41. In dem Diagramm ist in der Kurve 200 ein gemessener Verlauf der Abgastemperatur T im Endrohr 41 bei unterschiedlichen Betriebszuständen (Stadtfahrt, Landstraßenfahrt, Autobahnfahrt und Kaltstart) über der Zeit t aufgezeichnet. Die Kurve 210 zeigt eine jeweilige Abweichung der gemessenen Abgastemperaturwerte T von den modellierten Abgastemperaturwerten T. Das Diagramm zeigt an Hand der Temperaturskala, dass die modellierten Abgastemperaturwerte T um ca. 50C° von den realen Werten abweichen. Eine schwankende temperaturabhängige Abweichung, beziehungsweise eine wechselnde Abweichung bei den unterschiedlichen Betriebszuständen ist nicht festzustellen, d. h. die Abweichungen sind während der gesamten Testphase annähend gleich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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