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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer in einem bestimmten Zeitabstand erreichbaren Zylinderfüllung einer Brennkraftmaschine sowie ein hierzu eingerichtetes Computerprogramm, ein elektronisches Speichermedium und ein elektronisches Steuergerät.
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Stand der Technik
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Von der Motorsteuerung werden zur Koordination der Laststeuerung verschiedenste Momentengrößen an den Powertrain und an die Nebenaggregate zur Verfügung gestellt. Derzeit wird von der Motorsteuerung ein zu den aktuellen Randbedingungen maximal mögliches stationäres Moment als Größe zur Verfügung gestellt. Die Berechnung berücksichtigt dabei z.B. lediglich statisch aktuelle Zustandsgrößen, nicht aber das dynamische Füllverhalten des Luftsystems oder des Ladesystems. Weiterhin wird ein maximal zulässiges Moment ermittelt, welches maßgeblich durch den Komponentenschutz beeinflusst wird.
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So ist aus der
DE 196 16 960 C2 eine Einrichtung zur automatischen Einstellung einer im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor angeordneten Kupplung während Anfahr- und/oder Gangwechselvorgängen bekannt mit Mitteln zur Bestimmung des momentan unter Annahme höchstmöglicher Verbrennungsmomentaussteuerung maximal erreichbaren Motordrehmomentes. Das momentan bei maximaler Aussteuerung der Kraftstoffeinspritzung erreichbare Motordrehmoment hängt dabei von den aktuellen Zustandsgrößen wie Drehzahl, Ladedruck, Temperatur usw. ab. Das Motordrehmoment wird einem Begrenzer zugeführt, der den Wert auf einen zulässigen Maximalwert begrenzt.
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Die Verwendung von maximal erreichbarem stationärem Momente und zulässigem Maximalmoment ist für viele Anwendungen problematisch, da beide Werte nur sehr unzuverlässige Anhaltspunkte dafür sind, welches maximale Drehmoment zu einem bestimmten zukünftigen Zeitpunkt möglich ist. In den meisten Fällen liegt beispielsweise das maximal zulässige Drehmoment hierfür viel zu hoch.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Ermittlung einer in einem bestimmten Zeitabstand maximal erreichbaren Zylinderfüllung einer Brennkraftmaschine wird ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Hierbei wird das dynamische Füllverhalten des Luftsystems der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Insbesondere ist die Ermittlung der erreichbaren Zylinderfüllung abhängig von dem maximalen Füllverhalten welches für das Luftsystem im bestimmten Zeitraum prognostiziert wird. Dieses wird abhängig von der Dynamik eines Stellelements des Luftsystems ermittelt, insbesondere einer Drosselklappe im Saugrohr. Die Ermittlung geschieht abhängig von einer aktuellen Stellung des Stellelements sowie der Verzögerung durch eine vollständige Stellelement-Öffnung. Zudem ist die Ermittlung des Füllverhaltens abhängig von physikalischen Zustandsgrößen des Luftsystems bzw. der Brennkraftmaschine, z.B. Druckgrößen wie Ladedruck und Saugrohrdruck. Die in dem bestimmten Zeitabstand erreichbare Zylinderfüllung ist zudem abhängig davon, welche maximale Füllung ein in der Brennkraftmaschine vorhandenes Ladersystem (z.B. ein Abgasturbolader) beitragen kann.
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Durch die Prognose bzw. Berechnung der in einem bestimmten Zeit maximal erreichbaren Zylinderfüllung (bzw. damit korrespondierend eines maximal erreichbaren Drehmoments), kann von der ermittelnden Einheit (insbesondere der Motorsteuerung) dieser Wert zur Steuerung oder Regelung eingesetzt werden oder anderen Einheiten (wie Nebenaggregaten oder anderen Steuereinheiten) für Steuerungen oder Regelungen zur Verfügung gestellt werden. Für viele Steuer- oder Regelprozesse wird eine Aussage benötigt, welches maximale Moment während einer bestimmten Ansteuer- oder Regeldauer auftreten kann. Die hierzu bisher verwendeten Größen wie stationäres maximales Drehmoment oder maximal zulässiges Drehmoment sind hierzu zu unzuverlässige Größen. Das momentan maximal erreichbare Drehmoment berücksichtigt lediglich statisch die aktuellen Zustandsgrößen (z.B. konstante Drehzahl, konstante Umgebungsgrößen) und interpoliert für den Fall einer vollständig geöffneten Drosselklappe. Das maximal zulässige Drehmoment ist oftmals zu groß. Gerade bei kleinen Drehzahlen kann das maximal zulässige Drehmoment im betrachteten Zeitraum aufgrund der Ausgangsbedingungen gar nicht erreicht werden. Somit trägt ein prognostiziertes maximales Drehmoment zur Verbesserung solcher Steuervorgänge bei.
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Dieses dynamische, prädizierte Drehmoment entspricht dabei dem Moment, das sich zu einem bestimmten zukünftigen Zeitpunkt einstellen würde, wenn man zum jetzigen Zeitpunkt und jetzigen Motorzustand Volllast anfordern würde. Mit Hilfe dieser Größe kann das Zusammenwirken verschiedenster Komponenten im Fahrzeug verbessert werden. Dies betrifft z.B. Momenteneingriffe, Getriebeeingriffe oder Momentenkoordination zwischen E-Maschine und Brennkraftmaschine bei hybridischen Systemen.
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Vorzugsweise wird eine vorhergesagte maximal erreichbare Füllung über die Größen Zündwinkelwirkungsgrad und Lambdawirkungsgrad in ein maximal erreichbares Drehmoment umgerechnet. Dies ermöglicht den meist auf der Größe Drehmoment basierenden Steuerungen den ermittelten Wert optimal nutzen zu können.
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In einer bevorzugten Variante wird die bestimmte Zeitdauer für die Prognose abhängig von einer Zeit gewählt, welche die Steuereinheit für die entsprechenden Steuer- oder Regeleingriffe benötigt. Hierdurch kann die berechnete Größe flexibel an die Anforderungen der entsprechenden Steuereinheiten angepasst werden. Dabei kann die Zeitdauer vorzugsweise der hierfür benötigten Zeit entsprechen. Es kann in einer alternativen Ausgestaltung allerdings auch eine feste Zeitdauer vorgegeben sein, wodurch die Modellierung vereinfacht und die Berechnung ressourcenschonend und schnell durchgeführt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das erreichbare Drehmoment an eine Getriebesteuerung, insbesondere eines Doppelkupplungsgetriebes, übermittelt, welche abhängig hiervon einen Schaltvorgang steuert bzw. regelt. Dabei kann insbesondere die bestimmte Zeitdauer von einer Zeit abhängen, die für einen Schaltvorgang benötigt wird. Durch die Übermittlung dieser Drehmomentgröße wird ein besonders komfortabler und sanfter Schaltvorgang ermöglicht.
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Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung des Füllverhaltens des Luftsystems abhängig von einer theoretischen Füllung bei vollständig geöffnetem Stellelement und einer ermittelten aktuellen Füllung. Der Füllungsaufbau des Laders kann abhängig von einem Massenstrom über den Lader und einem aktuellen Druckverhältnis an dem Lader, abhängig von einer ermittelten Motordrehzahl sowie abhängig von ermittelten Umgebungsgrößen, insbesondere einem Umgebungsdruck und einer Umgebungstemperatur, ermittelt werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung in einem Motorsteuergerät des Fahrzeugs. Die Ermittlung erfolgt ebenfalls vorzugsweise mittels eines in Software in einem Speicher des Motorsteuersystem abgelegten Modells.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Verfahren zur Prognose eines Füllverhaltens eines Luftsystems
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2 zeigt ein Verfahren zur Prognose einer maximal erreichbaren Zylinderfüllung
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Für verschiedene Steuer- und Regelprozesse ist eine wertvolle Größe das Drehmoment, das sich in einem bestimmten Zeitabstand einstellen würde, wenn man zum jetzigen Zeitpunkt und beim jetzigen Motorzustand Volllast anfordern würde. Dieses zu einem bestimmten zukünftigen Zeitpunkt bzw. in einem bestimmten zukünftigen Zeitabstand maximal erreichbare Drehmoment eines Verbrennungsmotor kann abhängig von einer bis dahin maximal erreichbaren Zylinderfüllung ermittelt werden. Um eine solche Zylinderfüllung vorherzubestimmen, wird ausgehend von ermittelten aktuellen Zustandsgrößen des Verbrennungsmotors auch die Dynamik des Luftsystems berücksichtigt. Hierzu wird die maximal erreichbare Zylinderfüllung abhängig von der Dynamik eines Stellelements des Luftsystems (z.B. Drosselklappe), von der Dynamik des Füllverhaltens des Luftsystems (z.B. des Füllverhaltens des Saugrohrs, der Ladeluftleitung oder von Saugrohr und Ladeluftleitung) sowie von der Dynamik einer Aufladung des Luftsystems (z.B. durch einen Turbolader) bestimmt.
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Bei der Berücksichtigung der Dynamik des Stellelement wird vorzugsweise davon ausgegangen, dass ein Stellelement von seiner aktuellen Stellung mit maximaler Geschwindigkeit vollständig geöffnet wird. Außerdem wird von einem maximalen Beitrag einer Ladeeinrichtung des Luftsystem ausgegangen. Ausgehend von dem ermittelten aktuellen Zustand des Luftsystems bzw. des gesamten Verbrennungsmotors (Drehzahl, Druckwerte, Umgebungsgrößen) wird mit diesen Annahmen, vorzugsweise über ein in der Motorsteuerung hinterlegtes Modell, bzw. in der Motorsteuerung hinterlegte Kennfelder, ermittelt, welche maximale Zylinderfüllung in einer vorgegebenen Zeit erreichbar ist.
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Wenn das Stellelement bereits vollständig geöffnet ist, erfolgt die Ermittlung der maximal erreichbaren Zylinderfüllung unabhängig von einer Dynamik des Stellelements und eines damit einhergehenden Füllverhalten des Luftsystems. In diesem Fall erfolgt die Ermittlung in erster Linie abhängig vom Füllungsaufbau durch das Ladesystem. Wenn die Drosselklappe dagegen ganz oder teilweise geschlossen ist, sind Stellelementdynamik, dynamisches Füllverhalten des Luftsystems sowie dynamischer Füllungsaufbau durch den Lader gemeinsam zu betrachten.
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Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der dynamisch maximal erreichbaren Zylinderfüllung, also der prädizierten Zylinderfüllung in mehreren Stufen. In einer ersten Stufe wird ein Füllverhalten des Luftsystems abhängig von einer Dynamik eines Stellelements des Luftsystems ermittelt (schnelle Anteile des Füllungsaufbaus) und in einer zweiten Stufe in Abhängigkeit von diesem Füllverhalten und des Füllungsaufbau durch die Ladeeinrichtung des Luftsystems (langsame Anteile des Füllungsaufbaus) die erreichbare Zylinderfüllung ermittelt.
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In der ersten Stufe wird also das Füllverhalten des Luftsystems (insbesondere des Saugrohrs und der Ladeluftleitung) ermittelt. Diese Ermittlung erfolgt unabhängig von den Dynamikanteilen der Ladeeinrichtung, aber abhängig von der Dynamik des Stellelements (insbesondere der Drosselklappe) bzw. des entsprechenden Stellers (insbesondere des Drosselklappenstellers). Die Ermittlung erfolgt abhängig von mehreren oder allen der folgenden physikalischen Größen: (ermittelter aktueller) Ladedruck, (ermittelter aktueller) Saugrohrdruck, (ermittelte aktuelle) Zylinderfüllung, theoretische Füllung bei komplett geöffnetem Stellelement, (ermittelte aktuelle) Nockenwellenposition, (ermitteltes aktuelles) Motorschluckverhalten, (ermittelter aktueller) Restgasanteil im Zylinder. Der Restgasanteil und das Motorschluckverhalten können hierbei abhängig von der Nockenwellenposition ermittelt werden.
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1 zeigt schematisch ein bevorzugtes Verfahren zur Prognose eines Füllverhaltens eines Luftsystems, insbesondere des Saugrohrs und der Ladeluftleitung. Dabei wird in einem Schritt 1 abhängig von einem ermittelten aktuellen Ladedruck 11 und einem ermittelten aktuellen Saugrohrdruck 12 ein erster Wert 13 für das Füllverhalten des Luftsystems bestimmt. Hierzu wird vorzugsweise ein Verhältnis von Saugrohrdruck 12 und Ladedruck 11 gebildet und auf Basis eines Kennfelds die diesem Verhältnis entsprechende Stellelementdynamik bestimmt. Der ausgegebene Wert 13 entspricht somit einem Faktor, der die Verzögerung durch den Öffnungsvorgang des Stellelements repräsentiert. In diese Stellelementdynamik geht vorzugsweise der bestimmte Zeitabstand ein, für welchen die Prognose der erreichbaren Füllung ermittelt werden soll. Dies kann geschehen, indem der Zeitwert fest appliziert ist, z.B. dem Kennfeld zugrunde liegt, oder indem der Zeitwert variabel berücksichtigbar ist, z.B. der Zeitwert eine weitere Dimension des Kennfelds darstellt.
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In Schritt 2 wird abhängig von einer ermittelten aktuellen Füllung 14 und einer ermittelten theoretischen Füllung 15 bei maximal geöffnetem Stellelement ein Wert 16 ermittelt. Der Wert 16 wird insbesondere durch die Differenzbildung theoretische Füllung 15 bei maximaler Öffnung minus aktuelle Füllung 14 berechnet. Ist die Drosselklappe vollständig geöffnet ergibt sich hierbei der Wert null. Wie oben beschrieben basiert die Prognose in diesem Fall auf dem tatsächlichen aktuellen Füllwert und der Laderdynamik ohne Einfluss der Stellelementdynamik. Der Differenzwert 16 wird in Schritt 3 mit dem Wert für die Stellelementdynamik 13 verknüpft, insbesondere durch Multiplikation. Die Differenz zwischen tatsächlicher Füllung 14 und bei maximal geöffnetem Stellelement möglicher Füllung 15 wird also damit gewichtet, dass das Stellelement nicht sofort geöffnet werden kann, sondern eine Verzögerung durch den Öffnungsvorgang stattfindet. Der hieraus ermittelte Wert 17 wird in Schritt 4 mit Wert 18 verknüpft. Der Wert 18 ist hierbei ein Wert abhängig von der tatsächlichen Füllung 14, vorzugsweise gleich der tatsächlichen Füllung 14. Die Verknüpfung in Schritt 4 ist vorzugsweise eine Addition. Der Ausgangswert 19 repräsentiert somit das Füllverhalten des Luftsystems in Abhängigkeit von der Dynamik des Stellelements (bzw. des entsprechenden Stellers) für den vorgegebenen Zeitraum. Der Ausgangswert ist in diesem bevorzugten Beispiel der tatsächliche Füllwert 14 korrigiert mit einer gewichteten Differenz zwischen tatsächlichem Füllwert 14 und bei maximaler Öffnung theoretisch erreichbarem Füllwert 15, wobei der Gewichtungsfaktor 13 von der Öffnungsdynamik des Stellelements abhängt. Der Ausgangswert 19 ist somit eine ohne Ladereffekte nur aufgrund der Stellelement- und Luftsystemdynamik erreichbare maximale Füllung.
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In der zweiten Stufe wird der Füllungsbeitrag durch das Ladersystem des Luftsystems ermittelt. Diese Ermittlung erfolgt abhängig von dem im ersten Schritt ermittelten Füllverhalten des Luftsystems sowie von der Dynamik des Füllungsaufbaus durch den Lader für den vorgegebenen Zeitraum. Die Ermittlung erfolgt abhängig von mehreren oder allen der folgenden physikalischen Größen: (ermittelter aktueller) Massenstrom über Verdichter, (ermitteltes aktuelles) Druckverhältnis am Verdichter des Laders, (ermittelter aktueller) Ladedruck, (ermittelter aktueller) Saugrohrdruck, (ermittelte aktuelle) Motordrehzahl, (ermittelte aktuelle) Umgebungsgrößen (insbesondere Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur).
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In 2 wird schematisch ein bevorzugtes Verfahren zur Prognose einer maximal erreichbaren Zylinderfüllung dargestellt. Hierzu wird in Schritt 21 abhängig von einem Startwert 39 sowie einer Motordrehzahl 33 und einem Druckverhältnis am Verdichter des Laders 34 ein Wert 36 ermittelt, welche die durch den Lader zusätzlich lieferbare Füllung repräsentiert. Das Druckverhältnis am Verdichter des Laders 34 wird ermittelt als Verhältnis zwischen Druckverhältnis vor dem Verdichter und Druckverhältnis nach dem Verdichter. Der Startwert 39 ist vorzugsweise die in der ersten Stufe als Endwert ausgegebene, ohne Ladereffekte nur aufgrund der Stellelement- und Luftsystemdynamik erreichbare maximale Füllung, also der Ausgangswert 19, der das Füllverhalten des Luftsystems in Abhängigkeit von der Dynamik des Stellelements (bzw. des entsprechenden Stellers) für den vorgegebenen Zeitraum repräsentiert. In Schritt 21 wird vorzugsweise dieser Wert 39 mit einem Wert multipliziert, welcher von der Motordrehzahl 33 abhängt und abhängig von dem damit ermittelten Wert und dem Druckverhältnis am Verdichter 34 mittels eines Kennfelds bestimmt, welche Füllungsdifferenz in dem betrachteten Zeitraum zusätzlich durch den Lader zu erwarten ist. In dieser Bestimmung, bzw. in dem Kennfeld ist somit die Dynamik des Laders über den für die Prognose bestimmten Zeitabstand enthalten. Dies kann geschehen, indem der Zeitwert fest appliziert ist, z.B. dem Kennfeld zugrunde liegt, oder indem der Zeitwert variabel berücksichtigbar ist, z.B. der Zeitwert eine weitere Dimension des Kennfelds darstellt.
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In Schritt 22 wird abhängig von Ladedruck 31 und Saugrohrdruck 32 das Füllverhalten des Luftsystems (insbesondere des Saugrohrs und der Ladeluftleitung) ermittelt. Dies geschieht vorzugsweise analog zu Schritt 1 der 1, wobei Schritt 22 ein anderes Kennfeld als Schritt 11 zugrunde liegen kann. Der entsprechende Wert 37 wird in Schritt 23 mit Wert 36 (insbesondere durch Multiplikation) verknüpft. Hierdurch wird die vom Lader im entsprechenden Zeitabstand zu erwartende Füllungsdifferenz in Abhängigkeit von dem Füllverhalten des Luftsystems sowie der Stellelementdynamik gewichtet. Der resultierende Wert 39 wird in Schritt 25 (insbesondere durch Multiplikation) mit einem Korrekturwert 38 korrigiert. Dieser wurde in Schritt 24 abhängig von Umgebungsgrößen wie Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur ermittelt. Der korrigierte Wert 40 wird in Schritt 26 mit einem Wert 41 verknüpft (insbesondere durch Addition), welcher das dynamische Füllverhalten des Luftsystems repräsentiert und vorzugsweise entsprechend dem Ausgangswert 19 der 1 ermittelt wurde. Somit wird hier zu der durch Stellelementdynamik und Luftsystemdynamik im betrachteten Zeitabstand erreichbaren Füllung die durch das Ladesystem im betrachteten Zeitabstand zusätzlich bereitstellbare Füllung addiert. Der resultierende Wert 42 repräsentiert somit eine maximal erreichbare Zylinderfüllung.
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In Schritt 27 wird dieser Wert 42 noch mit einer maximalen stationären Zylinderfüllung 43 begrenzt. Diese maximale stationäre Zylinderfüllung 43 wird z.B. als diejenige (theoretische) Zylinderfüllung prognostiziert, die sich nach unendlicher Wartezeit ergibt, wenn die aktuellen Größen Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur, Drehzahl als konstant angenommen werden, die Drosselklappe komplett geöffnet wird und der Lader maximalen Beitrag leistet. Diese maximale stationäre Zylinderfüllung 43 wird vorzugsweise ebenfalls begrenzt und zwar durch die aufgrund von Komponentenschutz maximal zulässige Füllung bei den aktuellen Zustandsgrößen. Die zulässige Zylinderfüllung wird vorzugsweise abhängig von einer aktuellen Drehzahl sowie gegebenenfalls weiteren Größen bestimmt, z.B. aus einer Kennlinie entnommen. Der resultierende Wert 44 entspricht also Wert 42, sofern dieser unterhalb der maximalen stationären (und damit auch der maximal zulässigen) Füllung 43 liegt, und Wert 43 sonst.
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Die somit ermittelte, in einem bestimmten Zeitabstand ausgehend vom Istzustand des Verbrennungsmotors maximal erreichbare Zylinderfüllung (gedeckelt mit der maximal zulässigen Zylinderfüllung) kann dann, vorzugsweise abhängig von einem Zündwinkelwirkungsgrad und einem Lambda-Wirkungsgrad in ein maximal erreichbares Drehmoment umgerechnet werden.
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Das so ermittelte maximal erreichbare Drehmoment kann dann z.B. von dem ermittelnden Motorsteuergerät zu einem weiteren Steuergerät weitergegeben werden. Vorzugsweise wird der Wert an eine Getriebesteuerung übergeben. So kann beispielsweise eine Getriebesteuerung eines Doppelkupplungsgetriebes aufgrund dieser bereitgestellten Größe einen Schaltvorgang deutlich besser steuern. Das Getriebe benötigt für einen möglichst optimalen Kupplungsvorgang die Information, welches Drehmoment während des Schaltvorgangs maximal auftreten kann. Die Größen (a) momentan maximales stationäres Moment (berechnet auf Basis aktueller Zustandsgrößen und unter der Annahme maximal geöffneter Drosselklappe und unendlicher Wartezeit) sowie (b) maximal zulässiges Moment sind hierzu nur unzureichend geeignet. Ist das maximal zu erwartende Moment bekannt, kann durch das Getriebe der Anpressdruck genau so vorgespannt werden, dass dieses maximale Moment ausgeglichen wird. Ist dies exakt der Fall, kann ein feiner Übergang bei der Schaltung erfolgen. Auf Basis des oft viel zu hohen maximal zulässigen Drehmomentwertes würde ein deutlich zu hoher Anpressdruck vorgesehen, wodurch Ruckeln bei der Schaltung und ein negatives Anfahrverhalten auftreten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird für die Ermittlung des maximal erreichbaren Moments eine Zeitdauer herangezogen, welche abhängig ist von der Zeitdauer des Steuervorgangs, für welchen die Größe ermittelt und an eine Steuereinheit übertragen wird. Zum Beispiel dauert der oben beschriebene Schaltvorgang im Bereich zwischen 100 ms und 1 s. Bei einer Dauer von 400 ms für einen Steuervorgang ist als zu übertragende Momentengröße vorzugsweise zu ermitteln, welches Moment bei zum jetzigen Zeitpunkt angeforderter Volllast in einem Zeitabstand von 400 ms maximal erreichbar wäre (unter Einhaltung des maximal zulässigen Moments).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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