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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen und insbesondere auf ein System zum Bestimmen von Maschinenreibung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, wie es der Art nach in der Dissertation von Christian Wilhelm mit dem Titel ”Echtzeitfähige Verlustprozessmodellierung” (Universität Kassel, März 2009) beschrieben wird.
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HINTERGRUND
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Ein Arbeitszyklus einer Brennkraftmaschine kann mehrere Maschinenhübe umfassen. Ein Arbeitszyklus kann beispielsweise vier verschiedene Maschinenhübe umfassen. In einem ”Einlasshub” kann die Maschine Luft durch einen Einlasskrümmer und ein oder mehrere Einlassventile in einen Zylinder saugen. Die Luft kann mit Kraftstoff im Einlasskrümmer (d. h. Kanalkraftstoffeinspritzung) oder im Zylinder (d. h. Direktkraftstoffeinspritzung) vermischt werden, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch (A/F-Gemisch) zu bilden. In einem ”Kompressionshub” kann das A/F-Gemisch durch einen Kolben innerhalb des Zylinders komprimiert werden.
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In einem ”Arbeitshub” kann das komprimierte A/F-Gemisch durch eine Zündkerze innerhalb des Zylinders verbrannt werden, um den Kolben anzutreiben, was eine Kurbelwelle drehbar dreht, um Maschinenleistung zu erzeugen. In einem ”Auslasshub” kann Abgas, das durch die Verbrennung des A/F-Gemisches (d. h. während des Arbeitshubs) erzeugt wird, aus dem Zylinder durch ein Auslassventil und einen Auslasskrümmer ausgestoßen werden.
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Der Arbeitszyklus kann auch in einen ”Expansionszyklus” und einen ”Nicht-Expansions-Maschinenzyklus” unterteilt sein. Insbesondere kann der Nicht-Expansions-Zyklus den Einlasshub und den Auslasshub (d. h. die Pumphübe) und einen ersten Teil des Kompressionshubs umfassen. Alternativ kann der Expansionszyklus einen restlichen Teil des Kompressionshubs und den Verbrennungshub umfassen. Mit anderen Worten, der Nicht-Expansions-Zyklus kann die Maschinenhübe (oder Teile davon) umfassen, in denen eine negative Arbeit auftritt (d. h. in denen keine Wärme durch Verbrennung freigesetzt wird).
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Die Verbrennung des A/F-Gemisches im Zylinder treibt den Kolben an, was eine Kraft auf eine Maschinenkurbelwelle aufbringt. Die Kraft an der Maschinenkurbelwelle kann als ”Verbrennungsdrehmoment” bezeichnet werden. Eine Menge des ”Antriebsdrehmoments” oder ”Ausgangsdrehmoments”, die tatsächlich durch die Maschine erzeugt wird, kann jedoch geringer sein als das Verbrennungsdrehmoment. Insbesondere kann das Antriebsdrehmoment aufgrund der Energieverluste (d. h. Pumpverluste) während des Nicht-Expansions-Maschinenzyklus, der Maschinenreibung und/oder zusätzlicher Lasten an der Maschine von Zubehörvorrichtungen (z. B. Pumpen, Klimaanlage, Radio usw.) geringer sein als das Verbrennungsdrehmoment.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Maschinensteuersystem umfasst ein Verbrennungsdrehmoment-Bestimmungsmodul, ein Reibungsdrehmoment-Bestimmungsmodul und ein Steuermodul. Das Verbrennungsdrehmoment-Bestimmungsmodul bestimmt ein Verbrennungsdrehmoment einer Maschine auf der Basis des Drucks innerhalb eines Zylinders der Maschine während eines Maschinenzyklus. Das Reibungsdrehmoment-Bestimmungsmodul bestimmt ein Reibungsdrehmoment der Maschine auf der Basis des Verbrennungsdrehmoments, der Beschleunigung einer Maschinenkurbelwelle, der effektiven Trägheit der Maschinenkurbelwelle und eines Pumpverlusts im Zylinder während des Maschinenzyklus. Das Steuermodul stellt einen Betriebsparameter der Maschine auf der Basis des Reibungsdrehmoments ein.
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Ein Verfahren umfasst das Bestimmen eines Verbrennungsdrehmoments einer Maschine auf der Basis eines Drucks innerhalb eines Zylinders der Maschine während eines Maschinenzyklus, das Bestimmen eines Reibungsdrehmoments der Maschine auf der Basis des Verbrennungsdrehmoments, der Beschleunigung einer Maschinenkurbelwelle, der effektiven Trägheit der Maschinenkurbelwelle und eines Pumpverlusts im Zylinder während des Maschinenzyklus und das Einstellen eines Betriebsparameters der Maschine auf der Basis des Reibungsdrehmoments.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachstehend gegebenen ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Selbstverständlich sind die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur für Erläuterungszwecke bestimmt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenbarung wird aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verständlich, in denen:
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1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Maschinensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
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2 eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Zylinders gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
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3 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Maschinensteuermoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Maschinenreibung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft. Für die Zwecke der Deutlichkeit werden in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu kennzeichnen. Wie hierin verwendet, sollte der Ausdruck A, B und/oder C so aufgefasst werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nichtexklusiven logischen Oder bedeutet. Selbstverständlich können die Schritte innerhalb eines Verfahrens in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
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Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, zweckgebunden oder Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Das von einer Maschine ausgegebene Antriebsdrehmoment kann geringer sein als das tatsächlich von der Maschine erzeugte Verbrennungsdrehmoment. Die Differenz zwischen dem Verbrennungsdrehmoment und dem Antriebsdrehmoment kann als ”Reibungsdrehmoment” bezeichnet werden. Mit anderen Worten, das Reibungsdrehmoment kann einen Drehmomentbetrag darstellen, der während eines Maschinenzyklus verloren geht. Das Reibungsdrehmoment kann beispielsweise Energieverluste (d. h. Pumpverluste) während eines Nicht-Expansions-Maschinenzyklus, Maschinenreibung und/oder zusätzliche Lasten an der Maschine von Zubehörvorrichtungen umfassen.
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Das Reibungsdrehmoment kann beispielsweise verwendet werden, um die Abbremsung (d. h. Auslaufen) eines Fahrzeugs zu steuern. Alternativ kann das Reibungsdrehmoment beispielsweise verwendet werden, um das aktive Bremsen (d. h. Herunterschalten) in einem Hybridfahrzeug zu steuern. Herkömmliche Maschinensteuersysteme bestimmen jedoch das Reibungsdrehmoment auf der Basis von vorbestimmten Kalibrierungsdaten. Mit anderen Worten, herkömmliche Maschinensteuersysteme können das Reibungsdrehmoment einer Maschine nicht in Echtzeit bestimmen.
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Daher werden Systeme und Verfahren dargestellt, die das Reibungsdrehmoment einer Maschine in Echtzeit bestimmen. Insbesondere können die dargestellten Systeme und Verfahren das Verbrennungsdrehmoment in Echtzeit unter Verwendung eines Drucksensors in einem Zylinder bestimmen. Folglich können die dargestellten Systeme und Verfahren dann das Reibungsdrehmoment auf der Basis des Verbrennungsdrehmoments, des von der Maschine ausgegebenen Antriebsdrehmoments und von Pumpverlusten während eines Zyklus der Maschine bestimmen. Das Antriebsdrehmoment kann beispielsweise auf der Basis einer vorbestimmten Trägheit der Kurbelwelle bestimmt werden. Außerdem können beispielsweise die Pumpverluste während eines Zyklus der Maschine unter Verwendung eines Modells auf der Basis eines Zylinderdrucks und einer Kurbelwellenposition bestimmt werden.
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Daher können die dargestellten Systeme und Verfahren verwendet werden, um das Reibungsdrehmoment genau zu bestimmen, indem das Antriebsdrehmoment und die Pumpverluste vom Verbrennungsdrehmoment subtrahiert werden. Folglich kann das Reibungsdrehmoment in Echtzeit bestimmt werden und kann Änderungen in mehreren Lasten an der Maschine von Zubehörvorrichtungen (z. B. Pumpen, Klimaanlage, Radio usw.) kompensieren. Die dargestellten Systeme und Verfahren können dann einen Betriebsparameter der Maschine auf der Basis des Reibungsdrehmoments einstellen, um entweder die Fahrzeugauslaufleistung oder das aktive Bremsen (für ein Hybridfahrzeug) zu steuern. Nur als Beispiel kann der Betriebsparameter eine Drosselklappenposition, eine Kraftstoffeinspritzmenge und/oder ein Gangübersetzungsverhältnis eines Getriebes sein.
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In 1 ist nun ein Maschinensystem 10, das eine Maschine 12 umfasst, gezeigt. Es ist zu erkennen, dass das Maschinensystem 10 ein Hybridmaschinensystem sein kann, das ferner einen Elektromotor (nicht dargestellt) umfasst. Die Maschine 12 umfasst einen beispielhaften Zylinder 14. Es ist zu erkennen, dass, obwohl ein einziger beispielhafter Zylinder 14 gezeigt ist, die Maschine 12 auch mehr Zylinder umfassen kann.
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Luft wird durch einen Lufteinlass 18, der durch eine Drosselklappe 20 geregelt wird, in die Maschine 12 und in einen Einlasskrümmer 16 gesaugt. Ein Einlass-MAP-Sensor 22 misst den Druck innerhalb des Einlasskrümmers 16. Die in die Maschine 12 gesaugte Luft wird durch ein Einlassventil 24 in den Zylinder 14 verteilt und mit Kraftstoff von einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) kombiniert. Der Kraftstoff kann beispielsweise durch eine Kraftstoffeinspritzdüse 26 in den Zylinder 14 eingespritzt werden. Obwohl der Zylinder 14 so gezeigt ist, dass er die Kraftstoffeinspritzdüse 26 umfasst (d. h. Direktkraftstoffeinspritzung), ist zu erkennen, dass die Kraftstoffeinspritzdüse 26 auch im Einlasskrümmer 16 oder in einem Einlasskanal (nicht dargestellt) vor dem Einlassventil 24 angeordnet sein kann (d. h. Kanalkraftstoffeinspritzung). In einer Ausführungsform kann der Zylinder 14 auch einen Drucksensor 32 umfassen, der den Druck innerhalb des Zylinders 14 misst.
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Das Luft/Kraftstoff-Gemisch (A/F-Gemisch) im Zylinder 14 wird durch einen Kolben (nicht dargestellt) komprimiert und durch eine Zündkerze 28 verbrannt. Die Verbrennung des A/F-Gemisches treibt einen Kolben (nicht dargestellt) an, der eine Kurbelwelle 34 drehbar dreht, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Ein Kurbelwellensensor 36 kann eine Drehposition und/oder Drehzahl (N/min) der Kurbelwelle 34 messen. Ein Getriebe 38 kann das Drehmoment an der Kurbelwelle 34 auf einen Fahrzeugantriebsstrang (d. h. Räder) übersetzen. Abgase können aus dem Zylinder 14 durch ein Auslassventil 30, einen Auslasskrümmer 40 und ein Auslasssystem 42 ausgestoßen werden.
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Ein Maschinensteuermodul (ECM) 44 regelt den Betrieb der Maschine 12. Das ECM 44 kann beispielsweise die Drosselklappe 20, das Einlassventil 24, das Auslassventil 30 und/oder die Kraftstoffeinspritzdüse 26 steuern, um das A/F-Verhältnis in der Maschine 12 zu steuern. Außerdem kann das ECM 44 beispielsweise die Zündkerze 28 steuern, um den Zündzeitpunkt der Maschine 12 zu steuern. Das ECM 44 empfängt auch Signale vom MAP-Sensor 22 und vom Kurbelwellensensor 36.
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In 2 ist nun eine Querschnittsansicht des beispielhaften Zylinders 14 gezeigt. Der Zylinder 14 umfasst das Einlassventil 24, die Zündkerze 28, das Auslassventil 30 und den Zylinderdrucksensor 32. Obwohl der Zylinder 14 nicht so gezeigt ist, dass er die Kraftstoffeinspritzdüse 26 umfasst (d. h. Kanalkraftstoffeinspritzung), ist zu erkennen, dass die Kraftstoffeinspritzdüse 26 sich im Zylinder 14 befinden kann (d. h. Direktkraftstoffeinspritzung).
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Über dem Zylinder 14 befinden sich eine Nockenwelle 50, ein Einlasskipphebel 52 und ein Auslasskipphebel 54. Obwohl eine einzelne Nockenwelle 50 gezeigt ist, ist zu erkennen, dass mehrere Nockenwellen 50 implementiert werden können (z. B. doppelte oben liegende Nockenwellen). Der Einlasskipphebel 52 ist mit dem Einlassventil 24 verbunden und steuert folglich dessen Bewegung. Ebenso ist der Auslasskipphebel 54 mit dem Auslassventil 30 verbunden und steuert folglich dessen Bewegung. Die Nockenwelle 50 umfasst unregelmäßige Nasen, die einen der Kipphebel 52, 54 betätigen, um jeweils ein entsprechendes Ventil 24, 30 zu öffnen. Wenn einer der Kipphebel 52, 54 und das entsprechende Ventil 24, 30 betätigt wird, schließt ferner eine Feder am anderen der Kipphebel 52, 54 das entsprechende Ventil 24, 30. Mit anderen Worten, beispielsweise kann nur eines der Ventile 24, 30 zu einem speziellen Zeitpunkt offen sein. Wie in 2B gezeigt, betätigt die Nockenwelle 50 beispielsweise den Einlasskipphebel 52 und das Einlassventil 24, während das Auslassventil 30 geschlossen bleibt. Obwohl Federn dargestellt sind, um die Ventile 24, 30 in geschlossene Positionen zurückzuführen, ist zu erkennen, dass andere Systeme und Verfahren verwendet werden können, um die Ventile 24, 30 in eine offene oder geschlossene Position zurückzuführen. Nur als Beispiel kann ein elektrohydraulisches System implementiert werden, das einen Hydraulikdruck verwendet, um die Ventile 24, 30 zu öffnen und/oder zu schließen.
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Der Zylinder 14 umfasst ferner einen Kolben 56. Beispielsweise kann das Reibungsdrehmoment der Reibung zwischen dem Kolben 56 und der Wand des Zylinders 14 entsprechen. Der Kolben 56 ist an der Kurbelwelle 34 über eine Verbindungsstange 58 befestigt. Die Kurbelwelle 34 ist auch an einem Gegengewicht 60 befestigt. Die Kurbelwelle 34, das Gegengewicht 60 und ein Abschnitt der Verbindungsstange 58 befinden sich in einem Kurbelgehäuse 62. Das Kurbelgehäuse 62 kann ferner einen Schmiermittelsumpf 64 (z. B. Öl) umfassen, der zum Schmieren von beweglichen Teilen verwendet wird. Ein Volumen des Zylinders 14 kann sich auf einen Raum über dem Kolben 56 beziehen (d. h. wenn sowohl die Einlass als auch Auslassventile 24, 30 geschlossen sind).
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Mit Bezug auf 3 kann nun das ECM 44 ein Verbrennungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 80, ein Energieverlust-Bestimmungsmodul 82, ein Reibungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 84 und ein Steuermodul 86 umfassen.
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Das Verbrennungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 80 empfängt einen Zylinderdruck vom Zylinderdrucksensor 32. Das Verbrennungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 80 kann das Verbrennungsdrehmoment in Echtzeit auf der Basis des Zylinderdrucks bestimmen. Insbesondere kann das Verbrennungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 80 einen angegebenen mittleren effektiven Druck (IMEP) in einem Zylinder 14 bestimmen. Der IMEP entspricht einer mittleren Kraft, die während eines Maschinenzyklus auf den Kolben 56 aufgebracht wird. Daher kann der IMEP sich direkt auf das Verbrennungsdrehmoment an der Kurbelwelle 34 entsprechend dem Zylinder 14 beziehen.
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Das Energieverlust-Bestimmungsmodul 82 empfängt das Zylinderdrucksignal vom Zylinderdrucksensor 32 und das Kurbelwellensignal vom Kurbelwellensensor 36. Das Energieverlust-Bestimmungsmodul 82 kann einen Energieverlust (d. h. Pumpverlust) während eines Zyklus der Maschine 12 auf der Basis einer Differenz zwischen einem erwarteten Druck und einem tatsächlichen Druck bestimmen. Insbesondere kann der erwartete Druck einer von mehreren vorbestimmten Drücken sein, die verschiedenen Kurbelwellenpositionen entsprechen, und der tatsächliche Druck kann das Zylinderdrucksignal sein.
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Das Reibungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 84 empfängt das Verbrennungsdrehmoment vom Verbrennungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 80 und den Energieverlust vom Energieverlust-Bestimmungsmodul 82. Das Reibungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 84 kann das Reibungsdrehmoment auf der Basis des Verbrennungsdrehmoments, des Energieverlusts, der Kurbelwellenbeschleunigung und der effektiven Kurbelwellenträgheit bestimmen. Insbesondere kann die Kurbelwellenbeschleunigung durch Überwachen des Kurbelwellensignals vom Kurbelwellensensor 36 für eine vorbestimmte Zeitdauer bestimmt werden.
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Die effektive Kurbelwellenträgheit kann vorbestimmten Kalibrierungsdaten entsprechen. Nur als Beispiel kann die effektive Kurbelwellenträgheit unter Verwendung eines Dynamometers gemessen und in einer Nachschlagetabelle gespeichert werden. Die Kurbelwellenbeschleunigung und die effektive Maschinenträgheit können verwendet werden, um das ”Trägheitsdrehmoment” zu bestimmen. Das Trägheitsdrehmoment kann der zum Beschleunigen (d. h. Drehen) der Kurbelwelle 34 verwendeten Energie entsprechen, die dann in der beschleunigten Kurbelwelle 34 gespeichert wird. Daher kann das Reibungsdrehmoment durch Subtrahieren des Trägheitsdrehmoments und des Energieverlusts vom Verbrennungsdrehmoment bestimmt werden.
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Das Steuermodul 86 empfängt das Reibungsdrehmoment vom Reibungsdrehmoment-Bestimmungsmodul 84. Das Steuermodul 86 stellt einen Betriebsparameter der Maschine 12 auf der Basis des Reibungsdrehmoments ein, um entweder die Fahrzeugauslauf-Steuerleistung oder das aktive Bremsen (in einem Hybridfahrzeug) zu steuern. Insbesondere kann der Betriebsparameter beispielsweise die Drosselklappenposition, eine Kraftstoffeinspritzmenge und/oder ein Gangübersetzungsverhältnis des Getriebes 38 umfassen. Nur als Beispiel kann das Steuermodul 86 die Drosselklappe (d. h. Luftströmung) vergrößern, den zur Maschine 12 zugeführten Kraftstoff erhöhen und das Getriebe 38 in einen niedrigeren Gang herunterschalten.
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Mit Bezug auf 4 beginnt ein Verfahren zum Bestimmen der Maschinenreibung in Schritt 100. In Schritt 102 kann das ECM 44 feststellen, ob die Maschine 12 arbeitet. Falls dies wahr ist, kann die Steuerung zu Schritt 104 weiter gehen. Falls dies falsch ist, kann die Steuerung zu Schritt 102 zurückkehren.
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In Schritt 104 kann das ECM 44 das Verbrennungsdrehmoment der Maschine 12 auf der Basis des Zylinderdrucks vom Zylinderdrucksensor 32 während eines Maschinenzyklus bestimmen. In Schritt 106 kann das ECM 44 einen Energieverlust (d. h. Pumpverlust) im Zylinder 1 während des Maschinenzyklus bestimmen.
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In Schritt 108 kann das ECM 44 das Reibungsdrehmoment der Maschine 12 auf der Basis des Verbrennungsdrehmoments, des Pumpverlusts des Zylinders, der Beschleunigung der Kurbelwelle 34 und von vorbestimmten Maschinenträgheitsdaten bestimmen. In Schritt 110 kann das ECM 44 einen Betriebsparameter der Maschine 12 einstellen, um entweder die Fahrzeugauslaufleistung oder das aktive Bremsen (in einem Hybridfahrzeug) zu steuern. Die Steuerung kann dann in Schritt 112 enden.
