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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Luftfeuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors.
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Bisher wird der Spitzendruck im Zylinder eines Verbrennungsmotors durch die Klopfregelung begrenzt: Der Zündwinkel wird entsprechend dem über Motordrehzahl und Luftdurchsatz aufgespannten Kennfeld eingestellt, wobei dieser Zündwinkel mit der Klopfregelung korrigiert wird. Im Fall klopfender Verbrennung wird der Zündwinkel Richtung spät verschoben, wodurch der Spitzendruck im Zylinder sinkt.
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Die Klopfregelung verwendet eine Körperschallsensorik, die nur tatsächlich klopfende Arbeitsspiele erkennt. Die Klopfregelung erkennt daher keine regulären – d. h. nicht klopfenden – Arbeitsspiele mit zu hohem Spitzendruck. Dies bedeutet, dass die Klopfregelung für hohe Drücke „blind” ist, solange kein Klopfen auftritt.
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Daneben wird der Spitzendruck im Zylinder im Fall der Verwendung eines Abgasturboladers durch die Ladedruckregelung des Abgasturboladers begrenzt.
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DE 3116593 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung von motorbetriebsoptimalen Zündzeitpunkten. Nach häufigem Auftreten einer charakteristischen Betriebsgröße in Zusammenhang mit einem Klingelsignal wird ein entsprechend korrigierter Zündzeitpunkt in einem Korrekturkennfeld abgespeichert, der etwas unterhalb der Klingelgrenze liegt. Bei erneutem Auftreten derselben charakteristischen Betriebsgröße wird daher ein optimaler Zündzeitpunkt angegeben, der knapp unterhalb der Klingelgrenze liegt. Die aus dem Korrekturkennfeld entnommenen Zündzeitpunktwerte werden einer Endkorrektur unterzogen, mit Hilfe derer die Zündzeitpunkte hinsichtlich verschiedener Einflussgrößen korrigiert werden; die Einflussgrößen können die Lufttemperatur oder die Luftfeuchtigkeit sein.
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EP 0042163 B1 beschreibt eine Steuervorrichtung für die Kraftstoff-Luft-Gemischaufbereitung, wobei zur Verhinderung des Klopfens einer Brennkraftmaschine mit steigender Temperatur eine zunehmende Anfettung des Gemischs vorgenommen wird. Diese Anfettung erfolgt über Kennlinien als Funktion der Motortemperatur. Vorzugsweise kann noch zusätzlich anhand von Kennlinien oder Kennfeldern in Abhängigkeit der ansteigenden Temperatur eine Zündzeitpunktverstellung nach spät vorgenommen werden. Die Kennlinien und Kennfelder sind dabei so ausgelegt, dass ein Betriebszustand möglichst nahe der Klopfgrenze erreicht wird.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 041 228 A1 ist ein feuchtigkeitsbasiertes Steuerungssystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, welches ein Berechnungsmodul und Kalibrierungsmodul umfasst. Des Berechnungsmodul ermittelt eine Feuchtigkeit von Luft, die in einem Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine verwendet wird. Des Steuerungsmodul steuert selektiv einen Zündfunkenzeitpunkt und eine Abgasverdünnung in der Brennkraftmaschine auf der Grundlage der Feuchtigkeit.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 051 767 A1 sind ein System und Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Benzin-Verbrennungsmotors bekannt, der in einer Fremdzündungsbetriebsart und einer homogenen Kompressionszündungsbetriebsart laufen kann. Das Verfahren und die Systemumsetzung umfassen des Ermitteln der Feuchtigkeit von Luft, die in einen Verbrennungszylinder des Motors gesaugt werden soll, sowie das Steuern eines Betriebsparameters des Motors, der die Betriebsart der homogenen Kompressionszündung beeinflusst. Der Betrieb eines Turboladers wird basierend auf der erfassten Feuchtigkeit verändert.
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Aus der Druckschrift
DE 102 16 278 B4 ist ein Verfahren bekannt, um die Genauigkeit der Rohemissionsmodelle einer Brennkraftmaschine bei hohen Temperaturen zu verbessern bzw. den Vergleich von Modell- und Messwerten an die aktuellen Umgebungsbedingungen anzupassen. Hierzu wird die Luftfeuchte der Ansaugluft bestimmt und die NOx-Rohemission entsprechend korrigiert. Eine Sauerstoffsonde misst den in der Luft enthaltenen Sauerstoffgehalt im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine. Eine Speicherkatalysatorsteuerung bestimmt aufgrund des Sauerstoffgehalts und der Lufttemperatur den Wert für die Luftfeuchte. Diesem Schritt liegt die Überlegung zugrunde, dass die reguläre Sauerstoffkonzentration in der Luft mit ungefähr 21% bekannt ist. Misst die Lambdasonde nun im Schubbetrieb eine von dieser Konzentration abweichende, geringere Sauerstoffkonzentration, wird angenommen, dass diese durch eine erhöhte Luftfeuchte gesunken ist. Dieser Effekt ist bei Raumtemperatur vernachlässigbar, jedoch bei Temperaturen oberhalb von 30°C macht er sich bemerkbar.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors anzugeben, welches bzw. welche zur Einstellung des Zündwinkels und/oder Ladedrucks verwendet werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Die Luftfeuchtigkeit wird erfindungsgemäß nicht mit einem konventionellen Luftfeuchtesensor gemessen, stattdessen wird ein besonderes Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit angewendet. Hierbei wird die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit des Signals einer Lambdasonde bestimmt. Dies bietet den Vorteil, auf einen kostspieligen Luftfeuchtesensor zu verzichten, und stattdessen das Signal einer Lambdasonde zu verwenden.
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Dabei wird die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit
- – eines feuchten Luftmassenstroms und
- – eines trockenen Luftmassenstroms
bestimmt. Dabei wird der trockene Luftmassenstrom in Abhängigkeit des vorstehend genannten Signals der Lambdasonde und insbesondere einer Einspritzmenge bestimmt, insbesondere berechnet. Der feuchte Luftmassenstrom wird vorzugsweise mit einem Luftmassenmesser gemessen, der stromaufwärts des Einlassventils angeordnet ist.
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Über die Differenz aus der vom Luftmassenmesser gemessenen Luftmasse (= feuchter Luftmassenstrom) und der aus dem Lambdasondensignal sowie der Einspritzmasse berechneten Luftmasse (trockener Luftmassenstrom) lässt sich die Luftfeuchtigkeit leicht bestimmen. Die absolute Luftfeuchtigkeit ist nämlich proportional zu dieser Differenz.
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Alternativ lässt sich die relative Luftfeuchtigkeit über das Verhältnis von dem trockenen Luftmassenstrom und dem feuchten Luftmassenstrom bestimmen. Vorzugsweise werden aus dem Verhältnis der Partialdruck des Wasserdampfs und damit die relative Feuchtigkeit berechnet.
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Das Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit kann beispielsweise zur Messung der Luftfeuchtigkeit im Rahmen der Einstellung des Zündwinkels oder des Ladedrucks eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit verwendet werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit gerichtet, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit eines feuchten Luftmassenstroms und eines trockenen Luftmassenstroms zu bestimmen. Die Verrichtung ist ferner eingerichtet, ein Signal einer Lambdasonde entgegenzunehmen und den trockenen Luftmassenstrom in Abhängigkeit des Signals der Lambdasonde zu bestimmen. Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung kann in dem Motorsteuergerät integriert sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Motors 1, beispielsweise eines Ottomotors, mit Motorsteuergerät 2. Der Motor 1 umfasst optional einen Abgasturbolader mit elektronischer Ladedruckregelung. Dies ist jedoch nicht zwingend.
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Ein Luftstrom wird von einem Verdichter 3 des Abgasturboladers verdichtet und einem Ladeluftkühler 4 zugeführt. Ferner ist ein Luftmassenmesser 5 vorgesehen, der den Luftmassenstrom misst. Bei dem Luftmassenstrom handelt es sich beispielsweise um eine Angabe in kg pro h. Der Luftmassenmesser 5 ist vorzugsweise vor dem Verdichter 3 angeordnet. Von den Einlassventilen des Motors 1 befindet sich eine Drosselklappe 12, welche die Luftzufuhr steuert. Der Abgasstrom des Motors 1 treibt ausgangsseitig die Turbine 8 des Abgasturboladers. Ferner ist eine Bypass-Leitung mit Ladedruckregelventil 10 vorgesehen.
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Im Abgasstrang befindet sich eine Lambdasonde 11, die des Verbrennungsluftverhältnis λ misst. Dabei beschreibt das Verbrennungsluftverhältnis λ das Verhältnis zwischen der tatsächlich für die Verbrennung dem Motor zugeführte Luftmenge und der zu vollständigen Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmasse.
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Zur Ladedruckregelung wird der einzustellende Ladedruck vom Motorsteuergerät 2 in Abhängigkeit der Luftfeuchte und/oder Lufttemperatur bestimmt. Der Ladedrucksensor 7 erfasst den tatsächlich vorliegenden Ladedruck und meldet den erfassten Ladedruck an das Motorsteuergerät 2, welches daraufhin (über ein nicht dargestelltes Taktventil) die Stellung des Ladedruckregelventils 10 und damit den Abgasstrom zur Turbine 8 anpasst, so dass der gemessene Ladedruck dem einzustellenden Ladedruck entspricht.
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Ferner wird der Zündwinkel in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit und/oder Lufttemperatur eingestellt. Die Luftfeuchtigkeit und die Lufttemperatur können beispielsweise auf die Luft in dem Ansaugstrang vor dem Verdichter 3 bezogen werden (stattdessen könnte auch die Luft nach der Drosselklappe 12 betrachtet werden). Zur Temperaturmessung ist dazu vor dem Verdichter 3 ein Temperatursensor 6 vorgesehen. Ferner ist optional ein Drucksensor 13 vorgesehen. Diese kann beispielsweise an einem Luftfilter (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welcher stromaufwärts von dem Luftmassenmesser 5 angeordnet ist.
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Der Zündwinkel ist auf den oberen Totpunkt (OT) als Nullpunkt bezogen; Zündwinkel vor dem OT werden dabei positiv gezählt. Ein späteres Zünden vor OT entspricht einem kleineren Zündwinkel, ein früheres Zünden vor OT entspricht einem größeren Zündwinkel.
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Im Folgenden wird die Bestimmung des Zündwinkels in Abhängigkeit der Feuchte und Temperatur mittels eines Basiswert aus einem Basiskennfeld und einem Differenzwert, welche über ein Gradienten-Kennfeld bestimmt wird, näher beschrieben. Die Berechnung des Ladedrucks läuft in analoger Weise ab. Außerdem kann auch eine der Einflussgrößen Feuchte oder Temperatur unberücksichtigt bleiben, der entsprechende Korrekturwert für Feuchte bzw. Temperatur in den nachfolgenden Gleichungen ist dann Null.
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Der Absolut-Zündwinkel wird wie vorstehend erwähnt aus einem Basis-Zündwinkel αz Basis|x,y bei Normbedingungen (d. h. einer bestimmten Normtemperatur und einer bestimmten Normluftfeuchte) und den Korrekturwerten des Zündwinkels für die tatsächliche Ist-Temperatur und die tatsächliche Ist-Luftfeuchte, nämlich den Differenz-Zündwinkeln Δαz,Φ|x,y für die tatsächliche Ist-Luftfeuchte und Δαz,T|x,y für die tatsächliche Ist-Lufttemperatur bestimmt: αz,Φ|x,y = αz Basis|x,y + Δαz,Φ|x,y + Δαz,T|x,y.
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Der Basis-Zündwinkel αz Basis|x,y wird aus einem abgespeicherten Basiskennfeld für den Zündwinkel ausgelesen, welches über der Drehzahl x und dem Luftdurchsatz y (oder Drehmoment oder eine andere Lastangabe) aufgespannt ist.
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Zur Berechnung der Differenz-Zündwinkel Δαz,Φ|x,y und Δαz,T|x,y wird jeweils ein Gradienten-Kennfeld verwendet, das über der Drehzahl x und dem Luftdurchsatz y (oder Drehmoment oder eine andere Lastangabe) aufgespannt ist.
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In jedem Gradienten-Kennfeld sind Gradienten-Werte ∂αz,Φ|x,y/∂Φ bzw. ∂αz,T|x,y/∂T über Drehzahl x und Luftdurchsatz y abgespeichert, die die Veränderung des Zündwinkels in Abhängigkeit von Feuchte bzw. Temperatur bei der jeweiligen Drehzahl und dem jeweiligen Luftdurchsatz y angeben. Dabei ist der Zündwinkelgradient für die Feuchte bzw. Temperatur typischerweise positiv (eine Zunahme der Feuchte oder der Temperatur kann durch ein früheres Zünden kompensiert werden, welches einer Zunahme des Zündwinkels entspricht).
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Aus jedem Gradienten-Kennfeld wird für die aktuelle Drehzahl x und den aktuellen Luftdurchsatz y jeweils ein Gradienten-Wert ∂Δαz,Φ|x,y/∂Φ bzw. ∂Δαz,T|x,y/∂T ausgelesen.
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Es wird jeweils die Abweichung ΔΦ bzw. ΔT von der jeweiligen Normbedingung als Differenz zwischen dem Ist- und dem Normzustand von Feuchte bzw. Temperatur gebildet, wobei die Normfeuchte ΦNorm und die Normtemperatur TNorm den im Basiskennfeld abgelegten Auslegungszustand bilden: ΔΦ = ΦIst – ΦNorm, ΔT = TIst – TNorm.
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Die Differenz-Zündwinkel Δαz,Φ|x,y und Δαz,T|x,y bestimmen sich durch Multiplikation des jeweiligen Gradienten-Werts mit der jeweiligen Abweichung: Δαz,Φ|x,y = ∂Δαz,Φ|x,y/∂Φ·ΔΦ, Δαz,T|x,y = ∂Δαz,T|x,y/∂T·ΔT.
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Die Absolut-Zündwinkel lässt sich in Abhängigkeit der Gradienten-Werte ∂Δαz,Φ|x,y/∂Φ bzw. ∂Δαz,T|x,y/∂T und der Abweichungen ∆Φ bzw. ΔT folgendermaßen angeben: αz,Φ|x,y = αz Basis|x,y + Δαz,Φ|x,y + Δαz,T|x,y =
αz Basis|x,y + ∂Δαz,Φ|x,y/∂Φ·ΔΦ + ∂Δαz,T|x,y/∂T·ΔT.
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Die Ist-Temperatur TIst wird mit dem Temperatursensor 6 ermittelt.
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Zur Bestimmung der Ist-Luftfeuchtigkeit ΦIst wird vorzugsweise kein kostspieliger separater Feuchtefühler verwendet. Stattdessen wird die Ist-Luftfeuchtigkeit ΦIst mit Hilfe des Signals der Lambdasonde 11 bestimmt, insbesondere mit Hilfe des von dem Luftmassenmesser 5 gemessenen (feuchten) Luftmassenstroms m'L,f und des aus dem Signal der Lambdasonde 11 sowie dem Einspritzimpuls berechneten (trockenen) Luftmassenstrom m'L,t.
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Dieser trockene Luftmassenstrom m'L,t lässt sich beispielsweise gemäß folgender Gleichung berechnen: m'L,t = m'B·λ·Lst.
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Hierbei beschreiben m'B den Einspritzmassenstrom, λ das Verbrennungsluftverhältnis und Lst den stöchiometrische Luftbedarf. Der stöchiometrische Luftbedarf Lst ist das Verhältnis aus der stöchiometrischen Luftmasse m'L,st und der Brennstoffmasse m'B und beträgt ungefähr 14,5.
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Die relative Luftfeuchtigkeit lässt sich mit Hilfe des Quotienten aus dem berechneten (trockenen) Luftmassenstrom m'L,t und dem gemessenen (feuchten) Luftmassenstroms m'L,f bestimmen; dies wird nachfolgend beschrieben
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Aus dem Verhältnis zwischen der Luftdichte ρL,t der trockenen Luft und der Luftdichte ρL,f der feuchten Luft (dieses Verhältnis entspricht dem Verhältnis von dem trockenen Luftmassenstrom m'L,t zum feuchten Luftmassenstrom m'L,f) lässt sich der Partialdruck PD des Wasserdampfs und damit die relative Feuchtigkeit ΦIst berechnen. Für die Luftdichte ρL,t der trockenen Luft und die Luftdichte ρL,f der feuchten Luft gilt: ρL,t = (P – PD)/R·TIst und ρL,f = P/R·TIst.
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Hierbei beschreiben P den Luftdruck und TIst an einer bestimmten Stelle in dem Luftzuführungspfad zu den Zylindern, beispielsweise vor dem Verdichter 3. Zur Messung sind hier der Drucksensor 13 und der Temperatursensor 6 vorgesehen. Stattdessen könnten der Luftdruck und die Temperatur auch irgendwo anders in der Luftzuführung gemessenen werden, beispielsweise nach der Drosselklappe 12. Das Verhältnis von der Luftdichte ρL,t der trockenen Luft zur Luftdichte ρL,f der feuchten Luft entspricht dem Verhältnis von dem trockenen Luftmassenstrom m'L,t zum feuchten Luftmassenstrom m'L,f: ρL,t/ρL,f = (P – PD)/P = m'L,t/m'L,f.
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Durch Umformen der letzten Gleichung nach dem Partialdruck PD des Wasserdampfs lässt sich der Partialdruck PD des Wasserdampfs bestimmen zu: PD = P·(1 – m'L,t/m'L,f).
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Die relative Luftfeuchtigkeit ΦIst entspricht dem Verhältnis zwischen dem Partialdruck PD des Wasserdampfs und dem Sättigungsdampfdruck PDS: ΦIst = PD/PDS.
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Hierbei ist der Sättigungsdampfdruck P
DS eine temperaturabhängige Kennlinie. Die relative Luftfeuchtigkeit Φ
Ist lässt sich damit in Abhängigkeit des Quotienten aus dem trockenen Luftmassenstrom m'
L,t und dem feuchten Luftmassenstrom m'
L,f folgendermassen bestimmen:
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Mit Kenntnis der relativen Ist-Luftfeuchtigkeit ΦIst kann die Abweichung zur Norm-Luftfeuchtigkeit ΦNorm und damit der Differenz-Zündwinkel Δαz,Φ|x,y unter Verwendung des jeweiligen Gradientenwerts bestimmt werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die absolute Luftfeuchtigkeit bestimmt. Die absolute Luftfeuchtigkeit wird hierbei aus der Differenz zwischen dem gemessenen (feuchten) Luftmassenstrom –m'L,f und dem berechneten (trockenen) Luftmassenstrom m'L,t bestimmt: m'L,f – m'L,t = m'L,f – m'B·λ·Lst.
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Die absolute Luftfeuchtigkeit ΦIst ist proportional zu dieser Differenz, d. h. ΦIst = k·(m'L,f – m'B·λ·Lst).
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Die relative Feuchte ist an die Temperatur gekoppelt und ist daher im Vergleich mit der absoluten Luftfeuchtigkeit aufwändiger zu bestimmen (s. die Berechnung der relativen Feuchte vorher). Die absolute Feuchtigkeit kann gemäß der obigen Gleichung auf einfache Weise berechnet werden.
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Diese berechnete absolute Ist-Luftfeuchtigkeit kann mit der absoluten Norm-Luftfeuchtigkeit verglichen werden, wobei die absolute Norm-Luftfeuchtigkeit aus einem Kennfeld bestimmt wird. In dem Kennfeld ist die absolute Norm-Luftfeuchtigkeit über der Motordrehzahl, dem feuchten Luftmassenstrom und der Temperatur (beispielsweise der Ansaugtemperatur) aufgetragen. Anhand der aktuellen Motordrehzahl, dem aktuellen (typischerweise über den Luftmassenmesser 5 gemessenen) Luftmassenstrom und der aktuellen Temperatur kann die absolute Norm-Luftfeuchtigkeit aus dem Kennfeld ermittelt werden. Die absolute Ist-Luftfeuchtigkeit und die aus dem Kennfeld ermittelte absolute Norm-Luftfeuchtigkeit werden dann verglichen (beispielsweise gemäß ΔΦ = ΦIst – ΦNorm), und der Zündwinkel abhängig von der Abweichung ΔΦ unter Verwendung des jeweiligen Gradientenwerts korrigiert (beispielsweise gemäß Δαz,Φ|x,y = ∂Δαz,Φ|x,y/∂Φ·ΔΦ).
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Bei Verwendung der relativen Feuchtigkeit ist eine Kennlinie über der Temperatur (statt eines Kennfelds über Motordrehzahl, Luftmassenstrom und Temperatur bei der absoluten Luftfeuchtigkeit) ausreichend.
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Bei Motoren ohne Luftmassenmesser lässt sich aus dem Füllungsmodell eine Ersatzluftmasse erzeugen, die auf die vorstehend beschriebenen Algorithmen zur Bestimmung der Luftfeuchte angewendet werden kann.
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Die vorstehend beschriebene Korrektur des Zündwinkels ermöglicht eine genaue Berücksichtigung der Feuchte und/oder Temperatur im gesamten Kennfeldbereich. Vorstehend wurde beschrieben, den Kennfeld-Zündwinkel mit einem motorlast- und drehzahlabhängigen Differenz-Zündwinkel in Abhängigkeit von der Feuchte zu korrigieren. In analoger Weise kann eine zweite Korrektur mit einem weiteren Differenzkennfeld (hier; Gradienten-Kennfeld) durchgeführt werden, um den Einfluss der Lufttemperatur berücksichtigen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann verhindert werden, dass bei speziellen Umgebungsbedingungen (z. B. trockene, kalte Luft) der zulässige Spitzendruck überschritten wird, und sichergestellt werden, dass bei anderen Bedingungen (z. B. hohe Luftfeuchtigkeit) der optimale Zündwinkel eingestellt wird.
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Eine ähnliche Korrektur des Zündwinkels ist auch für den Umgebungsdruck möglich. Der Turbolader bewirkt zwar bis zu einem minimalen Umgebungsdruck, dass der Ladedruck eingehalten wird. Jedoch verursacht ein niedriger Umgebungsdruck einen höheren Gegendruck, da der Turbolader eine höhere Leistung braucht, um den Ladedruck zu erzeugen. Somit steigt der Spitzendruck im Zylinder. Damit können sich bei hohen Lasten die Klopfgrenze und der einstellbare Zündwinkel verändern. Bei mittlerer und niedriger Teillast sollte der Zündwinkel verändert werden, da mit steigendem Restgasanteil die Verbrennung verlangsamt wird.
