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Die Erfindung betrifft ein verfahren zur Auswertung eines Messsignals einer Brennkraftmaschine in einem befeuerten Betriebszustand gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
DE 102 35 665 A1 ist ein Regelungsverfahren zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Messsignal einer Zustandsgröße der Brennkraftmaschine für deren Laufruheregelung ausgewertet wird. Dazu werden Winkel-Frequenzen der Drehzahl der Kurbelwelle, die aufgrund typischerweise auftretender parasitärer Effekte wie Geberradfehler und/oder Massenmomente im Allgemeinen verfälscht werden, erfasst und mittels einer sogenannten Schleppkorrektur korrigiert. Dazu werden im stationären Schleppbetrieb, d. h. in einem Betriebszustand ohne Kraftstoff-Einspritzung, also im nichtbefeuerten Betrieb, Messungen der momentanen Kurbelwellendrehzahl durchgeführt. Eine derartige Messung findet typischerweise an einem Motorprüfstand statt. Diese Messung kann auch an einem Rollenprüfstand durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, zusätzlich mechanische Störeffekte, die beispielsweise von dem Getriebe eines Kraftfahrzeugs verursacht werden, zu berücksichtigen. Es ist auch möglich, eine derartige Messung während eines Fahrbetriebes im Schubbetrieb, d. h. wenn keine Betätigung des Gaspedals erfolgt, durchzuführen. Die genannten Verfahren ermöglichen nur teilweise eine Eliminierung von Effekten, die auf mechanische Störgrößen zurückzuführen sind wie beispielsweise eine Torsion der Kurbelwelle. Der Grund hierfür ist, dass mechanische Effekte auf das Laufverhalten der Brennkraftmaschine und damit auf deren Zustandsgrößen von der mechanischen Belastung der Brennkraftmaschine abhängen. Die Auswertung eines Messsignals der Brennkraftmaschine im befeuerten Betriebszustand basierend auf einem Referenz-Messsignal in einem nicht befeuerten Referenzzustand ist ungenau.
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Aus der
DE 10 2008 052 245 A1 , der
DE 10 2008 021 495 A1 und der
DE 100 55 192 C2 ist jeweils ein Verfahren zur Rundlaufregelung der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei ist jeweils vorgesehen, durch Anpassung einer Einspritzmenge in einem Referenzzustand eine Störgrößeninformation zu erfassen und zur Minimierung dieser Störgrößeninformation im Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu verwenden.
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Aus der
DE 10 2009 051 624 A1 ist ein Verfahren zur Spektralanalyse eines Signals einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Rechenaufwand für die Spektralanalyse optimiert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auswertung eines Messsignals einer Brennkraftmaschine in einem befeuerten Betriebszustand zu verbessern.
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Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch ein Bestimmen eines Referenz-Messsignals in einem befeuerten Referenzzustand und mit dem Ermitteln mindestens einer Referenz-Winkel-Frequenz mittels Spektralanalyse ein Bestimmen einer Störgrößeninformation aus der mindestens Referenz-Winkel-Frequenz verbessert ist. Dies bedeutet, dass mechanische Störgrößeneffekte wie beispielsweise eine Verdrehung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine unter den Bedingungen, die in einem befeuerten Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorliegen, erfasst werden. Dadurch ist es möglich, mindestens eine Betriebs-Winkel-Frequenz der Zustandsgröße in dem befeuerten Betriebszustand der Brennkraftmaschine durch die Störgrößeninformation mit erhöhter Genauigkeit zu korrigieren, so dass die Auswertung der mindestens einen Betriebs-Winkel-Frequenz verbessert ist. Dabei basiert die Korrektur der mindestens einen Betriebs-Winkel-Frequenz des Betriebs-Messsignals darauf, dass die mindestens eine Referenz-Winkel-Frequenz und die mindestens eine Betriebs-Winkel-Referenz gleichartig sind. Das bedeutet, dass aus einem mittels der Spektralanalyse ermittelten Spektrums gleichartige Winkel-Frequenzen zur Korrektur verwendet werden. Bei einer Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern ist dies beispielsweise die 1,5te Winkel-Frequenz. Es ist auch möglich, andere Winkel-Frequenzen zu vergleichen, um eine Korrektur der Betriebs-Winkel-Frequenz zu ermöglichen, wie beispielsweise die 0,5te, die 1te und/oder die 2,0te Winkel-Frequenz. Bei einem Verfahren werden im Referenzzustand identische Einspritzmengen für alle Zylinder erzwungen, so dass auftretende Störgrößeninformationen der Referenz-Winkel-Frequenz auf rein mechanische Störgrößeneffekte der Kurbelwelle, d. h. auf die Verdrehung der Kurbelwelle, zurückgeführt werden können. Dadurch, dass sämtliche Zylinder mit identischen Einspritzmengen versorgt werden, wird ein ungleichmäßiges Drehzahlsignal der Kurbelwelle in Folge ungleichmäßiger Verbrennung minimiert und gegebenenfalls ausgeschlossen.
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Ein verfahren nach Anspruch 2 ermöglicht eine schnelle und unkomplizierte Erfassung des Messsignals. Die Drehzahl der Brennkraftmaschine kann beispielsweise mittels eines fest mit der Kurbelwelle verbundenen Geberrads, das vorzugsweise äquidistante Winkelmarkierungen aufweist, ermittelt werden. Die Drehzahl der Kurbelwelle gibt einen direkten Rückschluss auf das mechanische Verhalten der Kurbelwelle und insbesondere auf eine mögliche Verdrehung der Kurbelwelle.
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Bei einem verfahren nach Anspruch 3 werden sogenannte Referenzinjektoren verwendet, die vorher auf einheitliche und insbesondere identische Einspritzmengen eingestellt, d. h. kalibriert, werden. Die Referenzinjektoren können beispielsweise an einem Motorprüfstand eingesetzt werden. Die Referenzinjektoren stellen sicher, dass nur eine geringe Streuung der Einspritzmenge möglich ist. Insbesondere beträgt die Streuung weniger als 2% der maximalen Einspritzmenge, insbesondere weniger als 1% der maximalen Einspritzmenge und insbesondere weniger als 0,5% der maximalen Einspritzmenge. Es ist auch möglich, anstelle oder zusätzlich zu den Referenzinjektoren gesteuerte Kalibrierinjektoren zu verwenden, wobei eine jeweilige Einspritzmenge der Kalibrierinjektoren bekannt ist und wobei die bekannten Einspritzmengen sich unterscheiden können. Mittels einer entsprechenden Ansteuerung der Kalibrierinjektoren ist gewährleistet, dass zu den Referenzinjektoren korrespondierende Einspritzmengen mit der oben genannten Streuung zur Verfügung stehen.
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Ein Verfahren nach Anspruch 4 ermöglicht die Ermittlung mehrerer Winkel-Frequenzen. Beispielsweise wird in dem Fall, dass die Brennkraftmaschine sechs Zylinder aufweist, die 1,5te Winkel-Frequenz ermittelt, korrigiert und ausgewertet. Bei einer Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine oder einer Achtzylinder-Brennkraftmaschine können andere Winkel-Frequenzen zusätzlich oder alternativ bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Bei einem Verfahren nach Anspruch 5 kann die Störgrößeninformation direkt für eine Korrektur der Betriebs-Winkel-Frequenz verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, für die Störgrößeninformation ausschließlich eine Amplitudeninformation zu verwenden und auf eine Phaseninformation zu verzichten.
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Dadurch wird die Handhabung der Störgrößeninformation vereinfacht.
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Bei einem Verfahren nach Anspruch 6 ist es möglich, eine funktionale Abhängigkeit der Störgrößeninformation von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder einer an der Brennkraftmaschine anliegenden Last in Form eines auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoments zu berechnen. Insbesondere ist die Störgrößeninformation die Amplitudeninformation, die sowohl von der Drehzahl der Kurbelwelle als auch von dem auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoment jeweils linear abhängt. Entsprechend ist es möglich, eine funktionale Abhängigkeit der Amplitudeninformation von der Drehzahl und dem Drehmoment durch Messung in drei Arbeitspunkten zu erfassen und die allgemeine Funktionalität zu beschreiben.
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Bei einem Verfahren nach Anspruch 7 ist die Abhängigkeit der Störgrößeninformation von der Drehzahl und von dem auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoment nicht linear. In diesem Fall wird die Störgrößeninformation, insbesondere die Amplitudeninformation, als zweidimensionale Polynomfunktion p-ten Grades mit p = 1, 2, 3..., pn approximiert. Die zweidimensionale Polynomfunktion drückt die Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment aus. Es sind auch andere eindimensionale oder zweidimensionale Approximationsfunktionen möglich.
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Ein Verfahren nach Anspruch 8 ermöglicht die Berücksichtigung von Schleppdaten, in einem unbefeuerten Zustand der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Dadurch ist es möglich, beispielsweise Torsionseffekte bei sehr kleinen Lasten der Kurbelwelle zu erfassen. Die Korrektur der Betriebs-Winkel-Frequenz und damit deren Auswertung werden verbessert.
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Ein Verfahren nach Anspruch 9 ermöglicht beispielsweise eine verbesserte Zylindergleichstellungsregelung. Damit ist es möglich, Korrekturwerte für Einspritzmengen der einzelnen Zylinder genauer zu bestimmen. Das Laufverhalten der Brennkraftmaschine ist verbessert. Es ist zusätzlich oder alternativ auch möglich, eine verbesserte Nullmengenkalibrierung auf Basis der korrigierten Betriebs-Winkel-Frequenz durchzuführen. Bei einer Nullmengenkalibrierung wird beispielsweise während einer Einspritzpause, die insbesondere im Schubbetrieb gegeben ist, durch kurzzeitiges Ansteuern eines Injektors gemessen, ab welchem unteren Schwellenwert einer Einspritzdauer sich eine Minimal-Einspritzung auf das Drehmoment der Kurbelwelle auswirkt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine und
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2 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit einer Amplitudeninformation von einer Drehzahl einer Kurbelwelle und einem auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoment
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Im Folgenden wird anhand der 1 eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs näher erläutert. Die Brennkraftmaschine 1 ist in Form eines Verbrennungsmotors ausgeführt und weist einen Motor 2 mit mehreren Zylindern 3 und einem Einspritzsystem 4 auf. Es sind auch andere Zylinderzahlen, wie beispielsweise vier oder acht, möglich. Das Einspritzsystem 4 weist eine Einspritzeinheit 5 zum Einspritzen von Kraftstoff 6 auf. Die Brennkraftmaschine 1 kann sowohl ein selbstzündender als auch ein nicht-selbstzündender Verbrennungsmotor sein. Innerhalb des Motorblocks ist eine Kurbelwelle 7 angeordnet und aus dem Motorblock 2 beidseitig herausgeführt zur Umwandlung der in den Zylindern 3 freigesetzten Energie des Kraftstoffs 6 in eine Rotationsbewegung mit nicht näher dargestellten Zylinderkolben. Jede Einspritzeinheit 5 weist einen Injektor 20 auf, mit dem der Kraftstoff 6 in den jeweiligen Zylinder 3 zur Verbrennung eingespritzt wird.
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An einem freien Ende 8 ist ein Geberrad 9 zur Messung eines Drehzahlsignals N der Kurbelwelle 7 vorgesehen. Das Geberrad 9 weist äquidistante Winkelmarkierungen 10 mit einem Markenabstand von beispielsweise 6° oder 10° Kurbelwellenumdrehung auf. Benachbart zu dem Geberrad 9 ist ein Sensor 11, wie beispielsweise ein Induktivsensor vorgesehen, der geeignet ist, die Markierungen 10 auf dem Geberrad 9 zu detektieren. Die Verwendung des Geberrads 9 zur Bestimmung des Drehzahlsignals N ermöglicht eine besonders robuste und effektive Ermittlung des Messsignals der Zustandsgröße Drehzahl.
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Der Sensor 11 und die Einspritzeinheiten 5 stehen in Signalverbindung mit einer Steuereinheit 12 zur Ermittlung des Drehzahlsignals N der Kurbelwelle 7 und zur Steuerung der Brennkraftmaschine 1. Die Steuereinheit 12 umfasst eine Signalabtastungseinheit 13, eine Signalvorverarbeitungseinheit 14, eine Transformationseinheit 15 und eine Regelungseinheit 16. Die Steuereinheit 12 weist weiterhin eine Vergleichs- und Auswerteeinheit 17 auf, die mit einer Anzeigeeinheit 18 in Signalverbindung steht.
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An einem dem freien Ende 8, das aus dem Motor 2 herausgeführt ist, gegenüberliegend angeordneten Ende 19 ist die Kurbelwelle 7 über eine nicht dargestellte Kupplung mit einer nicht dargestellten Antriebswelle verbunden. Das Ende 19 wird auch als festes Ende 19 der Kurbelwelle 7 bezeichnet.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Auswertung eines Messsignals der Brennkraftmaschine 1, insbesondere des Drehzahlsignals N, in einem befeuerten Betriebszustand im Einzelnen erläutert. Die Brennkraftmaschine 1 mit der Kurbelwelle 7 und den mit der Kurbelwelle 7 zusammenwirkenden Zylindern 3 wird in einem befeuerten Referenzzustand betrieben.
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Das Betreiben der Brennkraftmaschine 1 in dem befeuerten Referenzzustand kann beispielsweise an einem Motorprüfstand erfolgen. Dabei wird für alle Zylinder 3 eine im Wesentlichen identische Einspritzmenge des Kraftstoffs 6 je Zylinder erzwungen. Dies kann beispielsweise mittels sogenannter Referenzinjektoren erfolgen, die in einem vorgegebenen Kalibrierschritt derart kalibriert worden sind, dass die Referenzinjektoren in eine in Wesentlichen identische Einspritzmenge bereitstellen. Es ist auch möglich, Kalibrierinjektoren zu verwenden. Kalibrierinjektoren zeichnen sich dadurch aus, dass deren Einspritzung in einem vorgelagerten Messverfahren ermittelt worden ist. Es ist möglich, dass Einspritzmengen der Kalibrierinjektoren von einander abweichen. Dadurch, dass die jeweiligen Einspritzmengen bekannt sind, können möglicherweise auftretende Unterschiede mittels einer entsprechenden Steuerung an dem Motor 2 ausgeglichen werden. Auch die Kalibrierinjektoren gewährleisten in dem befeuerten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 im Wesentlichen identische Einspritzmengen des Kraftstoffs 6 in die Zylinder 3. Die jeweiligen Einspritzmengen der Zylinder 3 sind idealerweise identisch, wobei auch geringe Abweichungen der Einspritzmengen tolerierbar sind. Eine maximale Abweichung der maximalen Einspritzmenge beträgt weniger als 2%, insbesondere 1% und insbesondere weniger als 0,5% der maximal eingespritzten Kraftstoffmenge je Zylinder 3.
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Die von dem Sensor 11 ermittelten Detektionssignale der Winkelmarkierungen 10 werden an die Signalabstastungseinheit 13 übermittelt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird ständig das digitale Referenz-Drehzahlsignal NR der Kurbelwelle 7 ermittelt, das anschließend der Signalvorverarbeitungseinheit 14 übermittelt wird, in der mittels gespeicherter Korrekturwerte mechanische Fertigungstoleranzen des Geberrads 9 korrigiert werden. Dadurch, dass die Winkelmarkierungen 10 beispielsweise mit 6° oder mit 10° Kurbelwellenumdrehung an dem Geberrad 9 angeordnet sind, ist das Referenz-Drehzahlsignal NR diskret und weist Abtastwerte im Abstand von 6° bzw. 10° auf.
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Das Referenz-Drehzahlsignal NR wird anschließend der Transformationseinheit 15 zugeführt und in einen Winkel-Frequenz-Bereich transformiert. Die Transformation erfolgt mittels Spektralanalyse. Daraus erfolgt mindestens eine Referenz-Winkel-Frequenz des Referenz-Messsignals NR. Die Transformation findet beispielsweise mittels einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) statt. Alternativ kann die Transformation auch mittels einer diskreten Hartley-Transformation (DHT) erfolgen. Gegenüber DFT bietet DHT dem Vorteil, dass eine Berechnung ausschließlich durch reelle Operationen durchgeführt werden kann. Die aus der Spektralanalyse gewonnenen Referenz-Winkel-Frequenzen ergeben ein Frequenzspektrum des Referenz-Drehzahlsignals NR, die der Regelungs- und Anzeigeeinheit 16 zugeführt werden. In dieser wird anschließend eine Frequenzanalyse des Frequenzspektrums vorgenommen, wobei genaue Informationen über das Drehzahlverhalten der Kurbelwelle 7 gewonnen werden. Durch die Frequenzanalyse, insbesondere durch die DFT oder die DHT, kann das Referenz-Drehzahlsignal NR der Kurbelwelle 7 analysiert und mindestens eine Referenz-Winkel-Frequenz, die auch als Motorordnung bezeichnet wird, insbesondere bei einem Reihensechszylindermotor, gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die 1,5te Motorordnung, extrahiert werden.
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Für eine Bestimmung einer Störgrößeninformation ist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die 1,5te Referenz-Winkel-Frequenz von besonderer Bedeutung. Da in dem befeuerten Referenzzustand die in die Zylinder 3 jeweils eingespritzte Menge an Kraftstoff 6 im Wesentlichen identisch ist, kann ein in der 1,5ten Motorordnung auftretendes Signal nur von einer Verdrehung der Kurbelwelle 7 herrühren. Die Verdrehung der Kurbelwelle 7 ergibt sich daraus, dass die Kurbelwelle 7 nicht ideal starr ist und aufgrund der von den Zylindern 3 auf die Kurbelwelle 7 lokal und stoßhaft einwirkenden Drehmomente eine Verdrehung der Kurbelwelle 7 resultiert.
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Die Störgrößeninformation, die aus der mindestens einen Referenz-Winkel-Frequenz ermittelt wird, ist eine Amplitudeninformation und eine Phaseninformation der 1,5ten Motorordnung. Es ist auch möglich, unter Zugrundelegung einer vereinfachenden Annahme lediglich die Amplitudeninformation der 1,5ten Motorordnung auszuwerten, ohne die Phaseninformation zu berücksichtigen.
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Bei anderen als bei den in dem Ausführungsbeispiel dargestellten Sechszylinderreihenmotor wie beispielsweise Vier- oder Achtzylindermotoren können zusätzlich oder alternativ auch andere Motorordnungen zur Bestimmung der Störgrößeninformation herangezogen werden.
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Die Amplitudeninformation A bzw. Störgrößeninformation ist abhängig von der Drehzahl n der Kurbelwelle 7 und von einem auf die Kurbelwelle 7 wirkenden Drehmoment M. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung die funktionale Abhängigkeit der Amplitudeninformation A von der Drehzahl n und dem Drehmoment M. Da die Abhängigkeit der Amplitudeninformation von den genannten Größen n, M linear ist, kann die Abhängigkeit der Amplitudeninformation als geneigte, schiefe Ebene bzw. Fläche über der n-M-Ebene dargestellt werden. Bei einer derartigen Abhängigkeit kann die Fläche der Amplitudeninformation A durch die experimentelle Ermittlung von drei Arbeitspunkten mit verschiedenen Drehzahlen n und verschiedenen Drehmomenten M im befeuerten Referenzbetrieb ermittelt werden. Damit stehen für sämtliche Betriebsbedingungen Amplitudeninformationen zur Verfügung.
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Es ist auch möglich, dass die Amplitudeninformationen andere, nicht-lineare Abhängigkeiten von der Drehzahl n und dem Drehmoment M aufweisen. In einem derartigen Fall ist es möglich, eine gekrümmte Fläche der Amplitudeninformation ausgehend von einigen im befeuerten Referenzzustand ermittelten Messpunkten zu approximieren. Mittels zweidimensionaler Polynomfunktionen p-ten Grades mit p = 1, 2, 3, ..., pn kann eine Approximation erfolgen. Es ist auch möglich, andere eindimensionale oder zweidimensionale Approximationsfunktionen zu verwenden, um ein Approximationsergebnis zu verbessern.
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Es ist zudem möglich, dass die Störgrößeninformation auch Schleppdaten umfasst, die in einem unbefeuerten Referenzzustand der Brennkraftmaschine 1 ermittelt worden sind.
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Die so bestimmten Störgrößeninformationen aus der 1,5ten Referenz-Winkel-Frequenz, die im befeuerten Referenzzustand der Brennkraftmaschine 1 ermittelt worden sind, werden für eine Korrektur mindestens einer Betriebs-Winkel-Frequenz eines Betriebszustandes in Form eines Betriebs-Drehzahlsignals NB in einem befeuerten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 verwendet. Dabei werden ausschließlich gleichartige Winkel-Frequenzen miteinander verglichen und dadurch korrigiert. D. h., wenn wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die 1,5te Referenz-Winkel-Frequenz zur Bestimmung der Störgrößeninformation verwendet worden ist, dient diese Störgrößeninformation der Korrektur der 1,5ten Motorordnung im Betriebszustand. Es ist auch möglich, andere Winkel-Frequenzen miteinander zu vergleichen wie beispielsweise die 0,5te, die 1,0te und/oder 2,0te Winkel-Frequenz des Drehzahlmesssignals.
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Dadurch, dass die Störgrößeninformation ausschließlich auf mechanische Effekte wie die Verdrehung der Kurbelwelle 7 zurückzuführen ist, kann die 1,5te Betriebs-Winkel-Frequenz als Betriebs-Drehzahlsignal NB im befeuerten Betrieb korrigiert werden. In einer anschließenden Auswertung der 1,5ten Betriebs-Winkel-Frequenz ist es somit möglich, die Korrekturwerte für die realen Einspritzmengen der Zylinder 3 im befeuerten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 mit einer verbesserten Genauigkeit zu bestimmen. Damit ist eine Zylindergleichstellungsregelung verbessert. Es ist zudem oder alternativ möglich, die Nullmengenkalibrierung mit einer erhöhten Genauigkeit durchzuführen. Insbesondere ist die Bestimmung der Störgrößeninformation mit der Referenz-Winkel-Frequenz im befeuerten Referenzzustand genauer als in einem unbefeuerten Referenzzustand.
