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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennkraftmaschine.
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HINTERGRUND UND KURZDARSTELLUNG
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Turboaufgeladene Kraftmaschinen sind dazu konfiguriert, in die Kraftmaschine eintretende Umgebungsluft zu verdichten, um die Leistung zu erhöhen. Ein Wastegate (Ladedruckregelklappe) kann die Menge an der Turbine eines Turboladers zugeführter Abgasenergie steuern, wodurch der Aufladedruck beeinflusst wird. Änderungen der Wastegate-Stellung beeinflussen den Abgasdruck, der wiederum die Kraftmaschinenatmung beeinflusst. Aufgrund eines Mangels an kostengünstigen, zuverlässigen Auslasskrümmerdrucksensoren wird der Abgasdruck oftmals in einer Kraftmaschinensteuerung geschätzt, um die Geschwindigkeitsdichteberechnungen zur Schätzung des Kraftmaschinendurchflusses zu unterstützen.
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In der Regel wird der Abgasdruck teilweise basierend auf der Wastegate-Stellung geschätzt. Herkömmlichen pneumatischen Wastegates fehlt es an Positionsmessung, und somit kann die Wastegate-Stellung unter Verwendung eines Kräftegleichgewichts zwischen den pneumatischen, den Feder- und den Abgaskräften geschätzt werden. Die Erfinder haben hier jedoch erkannt, dass eine derartige Wastegate-Stellungsschätzung zu einer bedeutenden Variabilität der Abgasdruckschätzung führen kann, was ungenaue Kraftmaschinenluftströmungsbestimmungen bewirken kann.
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Demgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt, um die obigen Probleme zumindest teilweise zu lösen. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren für eine Kraftmaschine Einstellen eines Kraftmaschinenbetriebsparameters basierend auf dem Abgasdruck, wobei der Abgasdruck basierend auf Wastegate-Aktuatormotorstrom geschätzt wird.
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Auf diese Weise kann Abgasdruck anhand der Menge des vom Motor eines elektrischen Wastegate-Aktuators gezogenen Stroms geschätzt werden. Der Strom des Wastegate-Aktuatormotors kann proportional zu den auf das Wastegate wirkenden Abgaskräften sein, und somit kann der Motorstrom einen genauen Mechanismus zur Schätzung des Abgasdrucks und somit der Kraftmaschinenatmung bereitstellen.
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Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, alleine betrachtet oder in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, leicht hervor.
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Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kraftmaschine.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Schätzung von Abgasdruck darstellt.
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3 zeigt ein Kennfeld, das Wastegate-Aktuatormotorstrom mit Turbinendruck korreliert.
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4 zeigt ein Kennfeld, das Ventilsteuerereignisse und Abgasdruck gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In aufgeladenen Kraftmaschinen können elektronische Wastegate-Aktuatoren eine genaue Ausgabe zum Erreichen der Zufuhr einer Sollaufladung zur Kraftmaschine bereitstellen. Die Ausgabe eines elektrischen Aktuators kann eine Funktion des dem Aktuatormotor zugeführten Stroms und des durch seine Magneten, falls vorhanden, erzeugten Magnetfelds sein. Die durch einen elektrischen Aktuator erzeugte Kraft kann eine Funktion seines Magnetflusses multipliziert mit dem seine Wicklungen durchfließenden Strom (im Folgenden als ”Motorstrom” bezeichnet) sein. Somit ist der Aktuatormotorstrom proportional zu der durch das Abgas auf das Wastegate wirkenden Kraft. Durch Messen des Motorstroms als Funktion der Zeit kann ein durchschnittlicher Abgasdruck geschätzt werden. Der geschätzte Abgasdruck kann zur Bestimmung der Kraftmaschinenluftladung, Schätzung der Turbinenleistung, Einstellung der Kraftstoffeinspritzmenge, Bestimmung, ob eine Partikelfilterrußladung einen Regeneration-Schwellwert erreicht hat, und andere Parameter verwendet werden.
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Wenn die Nockenwellensteuerung so eingestellt worden ist, dass sie eine positive Ventilüberschneidung enthält, ist die Verwendung eines durchschnittlichen Abgasdrucks zur Berechnung der Kraftmaschinenluftladung möglicherweise nicht ganz genau, da der Abgasdruck während der Ventilüberschneidungsperiode anders als der Abgasdruck während der Nichtüberschneidungsperioden sein kann. Der Abgasdruck während der Ventilüberschneidungsperiode kann durch Verwendung von Motorstrommessungen bestimmt werden. Insbesondere kann die Erfassung des Motorstroms zur Messung des Stroms während der Überschneidungsperiode sowie Zeiten zwischen den Ventilereignissen zeitlich gesteuert werden. Unter Verwendung dieser Messungen kann der Abgasdruck während der Ventilüberschneidungsperiode bestimmt werden. Der Abgasdruck während Überschneidung kann dann dazu verwendet werden, eine genauere Luftladungsschätzung bereitzustellen, anstatt nur den durchschnittlichen Abgasdruck zu verwenden.
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In 1 wird eine beispielhafte Kraftmaschine gezeigt, die einen Turbolader und ein elektrisch betätigtes Wastegate enthält. Die Kraftmaschine enthält weiterhin eine Steuerung, die zur Durchführung des in 2 gezeigten Verfahrens gemäß dem in 3 gezeigten Kennfeld konfiguriert ist.
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1 ist ein Schemadiagramm, das einen Zylinder des Mehrzylindermotors 10 zeigt, der in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs enthalten sein kann. Die Kraftmaschine 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuersystem, das die Steuerung 12 enthält, und durch Eingabe von einem Fahrzeugbediener 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel enthält die Eingabevorrichtung 130 ein Fahrpedal und einen Pedalstellungssensor 134 zur Erzeugung eines proportionalen Pedalstellungssignals PP. Die Brennkammer (das heißt der Zylinder) 30 der Kraftmaschine 10 kann Brennkammerwände 32 mit darin positioniertem Kolben 36 enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Fläche des Kolbens 36 in dem Zylinder 30 eine Mulde aufweisen. Der Kolben 36 kann mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein Zwischengetriebesystem mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Des Weiteren kann ein Startermotor über ein Schwungrad mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Startbetrieb der Kraftmaschine 10 zu ermöglichen.
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Die Brennkammer 30 kann Einlassluft von dem Einlasskrümmer 44 empfangen und kann Verbrennungsgase über den Auslasskanal 48 ablassen. Der Einlasskrümmer 44 wird über den Einlasskanal 42 versorgt. Der Einlasskrümmer 44 und der Auslasskanal 48 können über ein jeweiliges Einlassventil 52 bzw. Auslassventil 54 gezielt mit der Brennkammer 30 in Verbindung treten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile aufweisen.
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Das Einlassventil 52 kann durch die Steuerung 12 über einen elektrischen Ventilaktuator (EVA) 51 gesteuert werden. Analog dazu kann das Auslassventil 54 durch die Steuerung 12 über den EVA 53 gesteuert werden. Als Alternative dazu kann der variable Ventilaktuator elektrohydraulisch oder irgendein anderer in Betracht kommender Mechanismus zur Ermöglichung von Ventilbetätigung sein. Unter einigen Bedingungen kann die Steuerung 12 die den Aktuatoren 51 und 53 zugeführten Signale zur Steuerung des Öffnens und Schließens des jeweiligen Einlass- und Auslassventils ändern. Die Stellung des Einlassventils 52 und Auslassventils 54 kann durch die Ventilstellungssensoren 55 bzw. 57 bestimmt werden. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Einlass- und/oder Auslassventil durch einen oder mehrere Nocken betätigt werden und kann Systeme zur Nockenprofilumschaltung (CPS – cam profile switching) und/oder variablen Nockenwellenverstellung (VCT – variable cam timing) und/oder variablen Ventilsteuerung (WS) und/oder zum variablen Ventilhub (VVL – variable valve lift) zur Änderung des Ventilbetriebs verwenden. Zum Beispiel kann der Zylinder 30 als Alternative ein Einlassventil, das über elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil, das über Nockenbetätigung, darunter CPS- und/oder VCT-Systeme, gesteuert wird, enthalten.
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In der Darstellung ist ein Kraftstoffeinspritzventil 66 direkt mit der Brennkammer 30 verbunden, um Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des von der Steuerung 12 über den elektronischen Treiber 68 empfangenen Signals FPW direkt einzuspritzen. Auf diese Weise stellt das Kraftstoffeinspritzventil 66 eine so genannte Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 30 bereit. Das Kraftstoffeinspritzventil kann zum Beispiel an der Seite der Brennkammer oder im Oberteil der Brennkammer angebracht sein. Kraftstoff kann dem Kraftstoffeinspritzventil 66 durch ein nicht gezeigtes Kraftstoffsystem, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoff-Verteilerleitung enthält, zugeführt werden.
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Ein Zündsystem 88 kann der Brennkammer 30 unter ausgewählten Betriebsmodi über eine Zündkerze 92 als Reaktion auf das Funkenfrühverstellungssignal SA von der Steuerung 12 einen Zündfunken zuführen. Obgleich Funkenzündungskomponenten gezeigt werden, können bei einigen Ausführungsformen die Brennkammer 30 oder eine oder mehrere andere Brennkammern der Kraftmaschine 10 in einem Kompressionszündungsmodus mit oder ohne Zündfunken betrieben werden.
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Der Einlasskanal 42 kann Drosseln 62 und 63 mit Drosselplatten 64 bzw. 65 enthalten. In diesem bestimmten Beispiel kann die Stellung der Drosselplatten 64 und 65 durch die Steuerung 12 über Signale geändert werden, die einem Elektromotor oder einem Aktuator, der mit den Drosseln 62 und 63 enthalten ist, zugeführt wird, wobei diese Konfiguration gemeinhin als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC – electronic throttle control) bezeichnet wird. Auf diese Weise können die Drosseln 62 und 63 betätigt werden, um die der Brennkammer 30 unter anderen Kraftmaschinenzylindern zugeführte Einlassluft zu ändern. Die Stellung der Drosselplatten 64 und 65 kann der Steuerung 12 durch Drosselklappenstellungssignale TP zugeführt werden. Druck, Temperatur und Luftmasse können an verschiedenen Stellen entlang dem Einlasskanal 42 und dem Einlasskrümmer 44 gemessen werden. Zum Beispiel kann der Einlasskanal 42 einen Luftmassenflusssensor 120 zur Messung des durch die Drossel 63 eintretenden Reinluftmassenflusses enthalten. Der Reinluftmassenfluss kann über das MAF-Signal zur Steuerung 12 weitergeleitet werden.
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Ferner kann die Kraftmaschine 10 eine Verdichtungsvorrichtung, wie zum Beispiel einen Turbolader enthalten, der mindestens einen Verdichter 162 enthält, der stromaufwärts des Einlasskrümmers 44 angeordnet ist. Bei einem Turbolader kann der Verdichter 162 zumindest teilweise durch eine entlang dem Auslasskanal 48 angeordnete Turbine 164 (zum Beispiel über eine Welle) angetrieben werden. Somit kann das Ausmaß der Verdichtung, mit der ein oder mehrere Zylinder der Kraftmaschine über einen Turbolader beaufschlagt werden, durch die Steuerung 12 variiert werden. Ferner kann der Auslasskanal 48 das Wastegate 26 zum Wegleiten von Abgas von der Turbine 164 enthalten. Das Wastegate 26 kann mit einem Aktuator 28 betrieben werden, bei dem es sich zum Beispiel um einen elektrischen Aktuator handeln kann, der Permanentmagneten enthält. Bei einigen Ausführungsformen kann es sich bei dem Aktuator 28 um einen Elektromotor handeln. Das Wastegate 26 und/oder ein (in 1 nicht gezeigtes) Verdichterbypassventil kann über Aktuatoren (zum Beispiel den Aktuator 28) durch die Steuerung 12 zum Öffnen, wenn zum Beispiel ein niedrigerer Aufladedruck erwünscht ist, gesteuert werden
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Ein Ladeluftkühler 154 kann stromabwärts des Verdichters 162 und stromaufwärts des Einlassventils 52 enthalten sein. Der Ladeluftkühler 154 kann dazu konfiguriert sein, Gase, die zum Beispiel durch Verdichtung über den Verdichter 162 erwärmt worden sind, zu kühlen. Bei einer Ausführungsform kann sich der Ladeluftkühler 154 stromaufwärts der Drossel 62 befinden. Druck, Temperatur und Luftmassenfluss können stromabwärts des Verdichters 162, wie zum Beispiel mit dem Sensor 145 oder 147, gemessen werden. Die Messergebnisse können der Steuerung 12 von den Sensoren 145 und 147 über Signale 148 bzw. 149 kommuniziert werden. Druck und Temperatur können stromaufwärts des Verdichters 162, wie zum Beispiel mit dem Sensor 153, gemessen und der Steuerung 12 über das Signal 155 kommuniziert werden.
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Bei den offenbarten Ausführungsformen kann ferner ein Abgasrückführungssystem (EGR-System) verwendet werden, um einen Sollanteil des Abgases vom Auslasskanal 48 zum Einlasskrümmer 44 zu leiten. 1 zeigt ein HP-EGR-System und ein LP-EGR-System, aber eine alternative Ausführungsform enthält möglicherweise nur ein LP-EGR-System oder nur ein HP-EGR-System. Die HP-EGR wird durch den HP-EGR-Kanal 140 von stromaufwärts der Turbine 164 zu stromabwärts des Verdichters 162 geleitet. Die dem Einlasskrümmer 44 zugeführte Menge an HP-EGR kann durch die Steuerung 12 über das HP-EGR-Ventil 142 variiert werden. Die LP-EGR wird durch den LP-EGR-Kanal 150 von stromabwärts der Turbine 164 zu stromaufwärts des Verdichters 162 geleitet. Die dem Einlasskrümmer 44 zugeführte Menge an LP-EGR kann durch die Steuerung 12 über das LP-EGR Ventil 152 variiert werden. Das HP-EGR System kann einen HP-EGR-Kühler 146 enthalten, und das LP-EGR-System kann zum Beispiel einen LP-EGR-Kühler 158 zum Abführen von Wärme aus den EGR-Gasen an das Kraftmaschinenkühlmittel enthalten.
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Unter einigen Bedingungen kann das EGR-System dazu verwendet werden, die Temperatur des Luft- und Kraftstoffgemisches in der Brennkammer 30 zu regeln. Somit kann es wünschenswert sein, den EGR-Massenstrom zu messen oder zu schätzen. EGR-Sensoren können in EGR-Kanälen angeordnet sein und können eine Anzeige über Massenstrom und/oder Druck und/oder Temperatur und/oder O2-Konzentration und/oder Abgaskonzentration liefern. Zum Beispiel kann ein HP-EGR-Sensor 144 im HP-EGR-Kanal 140 angeordnet sein.
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Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Sensoren im LP-EGR-Kanal 150 positioniert sein, um eine Anzeige über Druck und/oder Temperatur und/oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des durch den LP-EGR-Kanal zurückgeführten Abgases zu liefern. Durch den LP-EGR-Kanal 150 umgeleitetes Abgas kann an einem Mischpunkt, der sich an der Verbindungsstelle des LP-EGR-Kanals 150 und des Einlasskanals 42 befindet, mit frischer Einlassluft verdünnt werden. Insbesondere kann durch Einstellung des LP-EGR-Ventils 152 unter Koordination mit der ersten Lufteinlassdrossel 63, die im Einlasskanal des Kraftmaschineneinlasses stromaufwärts des Verdichters positioniert ist, eine Verdünnung des EGR-Stroms eingestellt werden.
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Eine prozentuale Verdünnung des LP-EGR Stroms kann von der Ausgabe eines Sensors 145 im Kraftmaschineneinlassgasstrom abgeleitet werden. Insbesondere kann der Sensor 145 stromabwärts der ersten Einlassdrossel 63, stromabwärts des LP-EGR-Ventils 152 und stromaufwärts der zweiten Haupteinlassdrosselklappe 60 positioniert sein, so dass die LP-EGR-Verdünnung an oder nahe der Haupteinlassdrossel genau bestimmt werden kann. Der Sensor 145 kann zum Beispiel ein Sauerstoffsensor, wie zum Beispiel ein UEGO-Sensor, sein.
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Ein Abgassensor 126 ist in der Darstellung stromabwärts der Turbine 164 mit dem Auslasskanal 48 gekoppelt. Der Sensor 126 kann irgendein beliebiger Sensor zur Bereitstellung einer Anzeige des Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses sein, wie zum Beispiel ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO-(universal or wide-range exhaust gas oxygen), ein Zweizustands-Sauerstoffsensor oder ein EGO-, ein HEGO-(heated EGO), ein NOx-, ein HO- oder ein CO-Sensor.
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Die Abgasreinigungsvorrichtungen 71 und 72 sind in der Darstellung entlang dem Auslasskanal 48 stromabwärts des Abgassensors 126 angeordnet. Die Vorrichtungen 71 und 72 können ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-System, SCR – selective catalytic reduction), ein Dreiwegekatalysator (TWC – three way catalyst), eine NOx-Falle, verschiedene andere Abgasreinigungsvorrichtungen oder Kombinationen davon sein. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 71 ein TWC sein und die Vorrichtung 72 kann ein Partikelfilter (PF) sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der PF 72 stromabwärts des TWC 71 positioniert sein (wie in 1 gezeigt), während der PF 72 bei anderen Ausführungsformen stromaufwärts des TWC 72 positioniert sein kann (nicht in 1 gezeigt).
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In der Darstellung von 1 ist die Steuerung 12 ein Mikrocomputer, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Ports (I/O) 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem speziellen Beispiel als ein Nurlesespeicher (ROM) 106 gezeigt wird, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 108, einen Erhaltungsspeicher (KAM) 110 und einen Datenbus enthält. Die Steuerung 12 kann neben den zuvor besprochenen Signalen verschiedene Signale von mit der Kraftmaschine 10 gekoppelten Sensoren erhalten, darunter Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF – mass air flow) von dem Luftmassensensor 120; die Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur (ECT – engine coolant temperature) von dem mit der Kühlhülse 114 gekoppelten Temperatursensor 112; ein Profilzündungsaufnahmesignal (PIP – profile ignition pickup signal) von dem mit der Kurbelwelle 40 gekoppelten Hall-Sensor 118 (oder Sensor anderer Art); die Drosselstellung (TP) von einem Drosselstellungssensor; und ein Absolutkrümmerdrucksignal, MAP (manifold pressure signal), von dem Sensor 122. Ein Kraftmaschinendrehzahlsignal RPM (Revolutions per Minute) kann von der Steuerung 12 aus dem Signal PIP generiert werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Angabe hinsichtlich Vakuum oder Druck in dem Einlasskrümmer zu liefern. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie etwa ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Bei stöchiometrischem Betrieb kann der MAP-Sensor (durch Luftstromschätzungen) eine Angabe über das Kraftmaschinendrehmoment abgeben. Weiterhin kann dieser Sensor zusammen mit der erfassten Kraftmaschinendrehzahl eine Schätzung der in den Zylinder eingeleiteten Ladung (einschließlich Luft) liefern. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als Kraftmaschinendrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle erzeugen.
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Das Nurlesespeicher-Speichermedium 106 kann mit rechnerlesbaren Daten programmiert sein, die Anweisungen darstellen, welche durch den Prozessor (CPU) 102 zur Durchführung der unten beschriebenen Verfahren sowie Variationen davon, die erwartet, aber nicht speziell angeführt werden, ausführbar sind.
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Wie oben beschrieben, zeigt 1 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors, und dass jeder Zylinder ebenso seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, ein Kraftstoffeinspritzventil, eine Zündkerze usw. enthalten kann.
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Nunmehr auf 2 Bezug nehmend, wird ein Verfahren 200 zur Bestimmung von Abgasdruck dargestellt. Das Verfahren 200 kann durch eine Steuerung 12 gemäß darin gespeicherten Anweisungen durchgeführt werden. Das Verfahren 200 kann den Abgasdruck einer Kraftmaschine anhand eines Stroms von einem Wastegate-Aktuatormotor, zum Beispiel basierend auf vom elektrischen Wastegate-Aktuator 28 von 1 gezogenem Strom, bestimmen.
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Bei 202 werden die Kraftmaschinenbetriebsparameter bestimmt. Die Kraftmaschinenbetriebsparameter können die Kraftmaschinendrehzahl und -last, den Einlasskrümmerdruck, den Abgasstrom, die Abgastemperatur, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die Kurbelwellenstellung, die Ventilsteuerung und andere Parameter enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Bei 204 wird bestimmt, ob die Kraftmaschine mit einer Einlass- und Auslassventilüberschneidung betrieben wird. Bei einer Ventilüberschneidung können das Auslassventil und das Einlassventil eines gegebenen Zylinders gleichzeitig über einen Teil des Kraftmaschinenzyklus geöffnet sein. Zum Beispiel kann die Schließzeit des Auslassventils verzögert sein und/oder die Öffnungszeit des Einlassventils vorverstellt sein, so dass sich das Auslassventil schließt, wenn das Öffnen des Einlassventils beginnt, was zu einer Überschneidungsperiode führt, während der beide Ventile geöffnet sind.
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Infolgedessen können zwei Dinge passieren. Eine Möglichkeit ist, dass die während der Verbrennung in den Zylindern verbleibende Abgasmenge (als innere EGR bezeichnet) erhöht werden kann, wodurch unter einigen Bedingungen der Kraftmaschinenwirkungsgrad verbessert wird und Emissionen reduziert werden. Dazu kommt es, wenn der Druck im Abgas während der Überschneidung größer ist als der Druck innerhalb des Zylinders. Dieses Einschließen der Luft beeinflusst die Luftladung.
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Wenn das Auslassventil während eines Teils der Zeit, während der das Einlassventil öffnet, geöffnet ist, ist die andere Möglichkeit, dass ein Teil der in den Zylinder gesaugten Einlassluft sofort zum Auslasssystem ausgetrieben wird, wodurch der Abgasdruck weiter beeinflusst wird. Diese Wirkung ist auch als Spülung bekannt und beeinflusst die Beziehung zwischen in der Kraftmaschine eingeschlossenen Luftstrom und dem gesamten Luftstrom durch die Kraftmaschine. Diese Wirkung ist eine Funktion des Abgasdrucks während der Überschneidung.
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Der berechnete durchschnittliche Abgasdruck kann nicht gut mit dem Abgasdruck während der Überschneidung korreliert werden. Wenn der Wastegate-Aktuatormotorstrom willkürlich in Bezug auf die Ventilsteuerung erfasst wird, kann er infolgedessen den Abgasdruck während der Überschneidung nicht genau reflektieren.
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Wenn bei 204 bestimmt wird, dass die Kraftmaschine nicht mit einer Ventilüberschneidung betrieben wird, geht somit das Verfahren 200 zu 218 über, was unten erläutert wird. Wenn die Kraftmaschine ohne Ventilüberschneidung betrieben wird, geht das Verfahren 200 zu 206 über, um den vom Wastegate-Aktuator gezogenen Strom zu messen. Der Motorstrom kann zum Beispiel mit einer Stromsonde oder einem Sensor gemessen werden. Als Alternative dazu kann der Strom basierend auf dem ohmschen Gesetz als Verhältnis von Aktuatorspannung (zum Beispiel Klemmenspannung) und Aktuatorwiderstand berechnet werden, wenn diese beiden Größen bekannt sind oder gemessen werden können und wenn eine Widerstands/Temperatur-Nachschlagetabelle zur Verfügung steht. Der vom Wastegate-Aktuator gezogene Strom (ansonsten auch als Motorstrom bezeichnet) kann periodisch über eine gegebene Zeitdauer gemessen werden, zum Beispiel kann er für eine Sekunde oder 10 Kraftmaschinenzyklen oder eine andere geeignete Zeitdauer 10 Mal während jedes Kraftmaschinenzyklus, ein Mal pro Millisekunde usw., gemessen werden. Der Motorstrom kann dann gemittelt werden, um einen durchschnittlichen Strom über die gegebene Dauer bereitzustellen.
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Bei 208 wird ein durchschnittlicher Abgasdruck basierend auf dem durchschnittlichen Motorstrom bestimmt. Da der Abgasdruck aufgrund des Ablassens von Verbrennungsgasen nach jedem Kraftmaschinenverbrennungsereignis schwankt, kann der durchschnittliche Abgasdruck über die gegebene Dauer berechnet werden, um eine stabilere Darstellung des Gesamtabgasdrucks bereitzustellen. Das Motorstromsignal kann bei der Bestimmung des durchschnittlichen Motorstroms gegebenenfalls gefiltert werden. Der vom Wastegate-Aktuator gezogene durchschnittliche Strom entspricht der Kraft, die das Wastegate ausübt, um die durchschnittlichen Abgaskräfte zu überwinden. Deshalb kann der Aktuatorstrom in die Druckdifferenz über die Turbine umgewandelt werden. 3 zeigt ein beispielhaftes Kennfeld 300 der Turbinendruckdifferenz als Funktion des Aktuatorstroms. Die vertikale Achse ist die Differenz zwischen dem Druck vor der Turbine und hinter der Turbine. Das Kennfeld 300 kann im Speicher der Steuerung gespeichert und zum Nachschlagen der Turbinendruckdifferenz bei einem gegebenen durchschnittlichen Strom verwendet werden. Wie durch das Kennfeld 300 gezeigt, nimmt die Druckdifferenz über die Turbine proportional zur Änderung des Wastegate-Aktuatorstroms zu. Der Abgasdruck kann dann anhand der Turbinendruckdifferenz und des gemessenen oder geschätzten Drucks hinter der Turbine geschätzt werden.
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Der Abgasdruck kann basierend auf zusätzlichen Betriebsparametern bestimmt werden. Wie bei 210 gezeigt, kann der Abgasdruck zum Beispiel basierend auf dem Aktuatormotorstrom und ferner basierend auf der Wastegate-Stellung geschätzt werden. Der Einbezug der Wastegate-Stellung sorgt für eine verbesserte Flexibilität, um Änderungen der Gestängewinkel und der Wastegate-Kegelflächenausrichtung mit der Wastegate-Stellung, die bei der Abgasdruckbestimmung mit dem Motorstrom möglicherweise nicht reflektiert werden, Rechnung zu tragen.
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Die Wastegate-Stellung kann auf geeignete Weise bestimmt werden. In einem Beispiel kann die bei Wastegate-Stellung basierend auf dem Wastegate-Motor bestimmt werden. In einem Beispiel kann ein Sensor die lineare Verschiebung einer durch den Motor betätigten Stange messen. Als Alternative dazu kann der Motor einen innerhalb des Motors untergebrachten Drehgeber enthalten. Der Drehgeber kann mit dem am langsamsten rotierenden Element im Motor, das mit einer Betätigungsstange gekoppelt ist, gekoppelt sein. Solch ein Drehgeber kann Messungen über den gesamten Bereich, durch die das Element rotiert, der zum Beispiel 180 Grad sein kann, sammeln. In diesem Fall variiert die Ausgabe des Drehgebers mit der Drehung des Motors. In einem anderen Beispiel enthält der Motor eine Spindel (zum Beispiel eine Kugelspindel), deren Drehung gemessen und verwendet werden kann, um die Stellung des Wastegate-Ventils zu bestimmen. Es kann jedoch ein anderer Positionsgeber verwendet werden, da die Kugelspindel oder ein anderes rotierendes Element durch einen Bereich von über 180 und/oder 360 Grad rotieren kann. Es können verschiedene geeignete Geber verwendet werden, die zum Beispiel Änderungen der Winkelstellung gegenüber einer absoluten Stellung detektieren.
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Wie bei 212 gezeigt, kann der Abgasdruck in anderen Beispielen basierend auf Motorstrom und ferner basierend auf dem Abgasstrom geschätzt werden. Der Einbezug von Abgasstrom gewährleistet Flexibilität, um der Gasdynamik aufgrund der Änderung der Strömungsrichtungen um das Wastegate-Kegelventil herum Rechnung zu tragen. Abgasstrom kann durch einen Sensor im Auslass bestimmt werden, kann basierend auf auf Einlassmassenstrom und Verbrennungsbedingungen geschätzt werden oder durch andere geeignete Mechanismen bestimmt werden.
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Bei 214 wird die Kraftmaschinenluftladung basierend auf dem bei 218 berechneten durchschnittlichen Abgasdruck bestimmt. Die Luftladung kann eine Funktion des Einlasskrümmerdrucks und des Abgasdrucks sein. Bei 215 wird die Turbinenleistung basierend auf der Luftladung und dem Abgasdruck bestimmt. Die Turbinenleistung kann die Leistungsausgabe der Turbine beschreiben und kann in einem Beispiel auf dem an die Welle des Turboladers angelegten Drehmoment und der Winkelgeschwindigkeit der Welle basieren. Die Turbinenleistung kann basierend auf dem Druckverhältnis über die Turbine berechnet werden, das zur Berechnung des durch die Turbine an die Welle angelegten Drehmoments und somit der Turbinenleistung verwendet werden kann. Basierend auf der Kraftmaschinenluftladung, Turbinenleistung und/oder dem Abgasdruck können bei 216 verschiedene Kraftmaschinenbetriebsparameter eingestellt werden. Beispielhafte Betriebsparameter, die eingestellt werden können, umfassen die Kraftstoffeinspritzmenge, die Einspritzsteuerung, die EGR-Ventilstellung, die Drosselstellung, den Zündzeitpunkt, die Wastegate-Stellung usw. Um ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten kann zum Beispiel die in die Kraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge basierend auf der Kraftmaschinenluftladung eingestellt werden. In einem anderen Beispiel kann eine Soll-EGR-Rate durch Einstellung der Stellung eines EGR Ventils, wie zum Beispiel des LP-EGR-Ventils und/oder der HP-EGR, basierend auf der Kraftmaschinenluftladung aufrechterhalten werden. Ferner kann der bei 208 bestimmte Abgasdruck zur Einstellung verschiedener Betriebsparameter verwendet werden. Wenn der Abgasdruck über einem Schwellwert liegt, kann er zum Beispiel anzeigen, dass die Rußlast an einem Partikelfilter im Auslasskanal eine Schwellhöhe erreicht hat. Dann kann die Steuerung eine Regeneration des Partikelfilters einleiten. In einem anderen Beispiel kann die Differenz zwischen dem Abgasdruck und dem Einlasskrümmerdruck zusammen mit der EGR-Ventilstellung vorgeben, wie viel EGR tatsächlich zur Kraftmaschine strömt; die Stellung des EGR Ventils kann basierend auf dem Abgasdruck zum Aufrechterhalten einer Soll-EGR-Menge an der Kraftmaschine eingestellt werden. In einem anderen Beispiel kann die Turbinenleistung, wie oben erläutert, bestimmt werden, und die Wastegate-Stellung kann basierend auf der Turbinenleistung eingestellt werden. Wenn die Turbinenleistung zum Beispiel unter einer Sollturbinenleistung liegt, kann das Wastegate in eine weiter geschlossene Stellung bewegt werden.
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Wieder auf 204 Bezug nehmend, geht das Verfahren 200, wenn bestimmt wird, dass die Kraftmaschine mit Ventilüberschneidung betrieben wird, zu 218 über, um zu bestimmen, ob die Ventilüberschneidungsperiode größer als ein erster Schwellwert ist. Die Ventilüberschneidungsperiode kann eine Zeitperiode enthalten, während der sowohl das Auslassventil als auch das Einlassventil bei einem gegebenen Zylinder geöffnet sind. Wie oben erläutert, kann sich der Abgasdruck während der Ventilüberschneidung von dem Druck ohne Ventilüberschneidung unterscheiden. Wenn die Ventilüberschneidungsperiode jedoch relativ gering ist (zum Beispiel unter dem ersten Schwellwert liegt), kann die Auswirkung auf den Abgasdruck minimal sein. Die Schwellüberschneidungsperiode kann ein geeigneter Schwellwert sein, unter dem eine minimale Auswirkung auf den Gesamtabgasdruck beobachtet wird, wie zum Beispiel fünf Grad Kurbelwinkel. Wenn die Ventilüberschneidungsperiode unter einem ersten Schwellwert liegt, geht das Verfahren 200 somit zu 206 zurück, um den Wastegate-Motorstrom zu messen und den Abgasdruck zu berechnen, ohne die Ventilsteuerungsereignisse zu berücksichtigen, wie oben erläutert. Wenn die Ventilüberschneidungsperiode größer oder gleich dem ersten Schwellwert ist, geht das Verfahren 200 zu 220 über, um zu bestimmen, ob die Kraftmaschinendrehzahl unter einem zweiten Schwellwert liegt.
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Wenn die Kraftmaschinendrehzahl relativ hoch ist (zum Beispiel über dem zweiten Schwellwert liegt), ist es möglicherweise nicht möglich, den Motorstrom speziell während der Ventilüberschneidungsperiode genau zu erfassen. Der zweite Schwellwert kann eine geeignete Kraftmaschinendrehzahl, wie zum Beispiel 2000 RPM, sein. Wenn die Kraftmaschinendrehzahl größer gleich dem zweiten Schwellwert ist, kann eine Erfassung während der Ventilüberschneidungsperiode ungenau sein, und somit geht das Verfahren 200 zu 206 zurück, wie oben erläutert. Wenn die Kraftmaschinendrehzahl unter dem zweiten Schwellwert liegt, geht das Verfahren 200 zu 222 über, um den vom Wastegate-Aktuatormotor gezogenen Strom zu messen. Diese Messung kann der oben bei 206 erläuterten Messung ähneln. Diese Messung enthält jedoch ferner bei 224 Erfassen des Stroms während der Ventilüberschneidungsperiode. Die Stromerfassung kann eine Profilzündungsaufnahme (PIP) basierend auf der Erfassung des Aktuatorstroms sein, die lokalisiertere Informationen bezüglich des Abgasdrucks während der Ventilüberschneidung bereitstellt. Die Erfassung während der Überschneidungsperiode kann so durchgeführt werden, dass der Motorstrom einmal pro Verbrennungsereignis nahe dem oberen Totpunkt, wie zum Beispiel über die 150 bis 180° Kurbelwinkeldauer, oder bei der Einlassventilöffnung erfasst wird. Darüber hinaus kann der Motorstrom während anderer Zeiten des Kraftmaschinenzyklus erfasst werden. Diese Erfassung führt zu repräsentativeren Luftladungsberechnungen während der Ventilüberschneidungsperiode. Zusätzliche Details über die Erfassung des Motorstroms während der Ventilüberschneidungsperiode werden unten unter Bezugnahme auf 4 dargestellt.
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Bei 226 wird der Abgasdruck während der Ventilüberschneidungsperiode basierend auf dem während der Ventilüberschneidungsperiode erfassten durchschnittlichen Strom bestimmt. Der Abgasdruck kann ferner unter Verwendung von Informationen von in anderen Teilen des Kraftmaschinenzyklus erfasstem Strom ferner modifiziert werden, um anderen Druckwellenausbreitungswirkungen, Sensordynamik und dynamischer Wirkung von Druckteilen des Kraftmaschinenzyklus Rechnung zu tragen. Der bei 226 bestimmte Abgasdruck während der Überschneidung kann auf ähnliche Weise wie der bei 208 bestimmte durchschnittliche Abgasdruck bestimmt werden. Wie bei 228 gezeigt, kann der Abgasdruck zum Beispiel basierend auf dem Strom während der Überschneidung und ferner basierend auf der Wastegate-Stellung bestimmt werden. Wie bei 230 gezeigt, kann der Abgasdruck während der Überschneidung auch basierend auf dem durchschnittlichen Strom und ferner basierend auf dem Abgasstrom bestimmt werden. Wie bei 231 gezeigt, kann der Abgasdruck während der Überschneidung basierend auf dem Strom während der Überschneidung und ferner basierend auf dem durchschnittlichen Strom über den Kraftmaschinenzyklus bestimmt werden.
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Bei 232 wird bestimmt, ob ein Zylinderluftladungsungleichgewicht detektiert wird. Das Zylinderluftladungsungleichgewicht kann angezeigt werden, wenn der Abgasdruck während der Ventilüberschneidungsperiode nicht für jeden Zylinder gleich ist. Der während der Ventilüberschneidungsperiode für jeden Zylinder erfasste Motorstrom kann zum Beispiel gespeichert werden, und der Abgasdruck während der Überschneidungsperioden kann bestimmt werden. Wenn der Abgasdruck von einem Zylinder anders ist als der Abgasdruck von den anderen Zylindern (wenn sich der Abgasdruck zum Beispiel um mehr als 5% unterscheidet), kann bestimmt werden, dass sich ein Zylinder im Ungleichgewicht befindet. Die Einlass- und/oder Auslassventilsteuerung ist für den Zylinder im Ungleichgewicht möglicherweise nicht optimal eingestellt, was zu einem unterschiedlichen Abgasstrom durch den Zylinder im Vergleich zu anderen Zylindern in der Kraftmaschine führt.
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Wenn ein Zylinderungleichgewicht detektiert wird, geht das Verfahren 200 zu 234 über, um die Ventilüberschneidung des Zylinders im Ungleichgewicht einzustellen. Dies kann Einstellen der Auslass- und/oder Einlassventilschließzeit, des Auslass- und/oder Einlassventilhubs usw. umfassen. Dann geht das Verfahren 200 zu 214 über, um die Luftladung und/oder Turbinenleistung anhand des Abgasdrucks zu bestimmen, wie oben erläutert. Wenn bei 232 kein Zylinderungleichgewicht detektiert wird, geht das Verfahren 200 analog dazu zu 214 über, um Luftladung und/oder Turbinenleistung zu berechnen. Wie zuvor erläutert, können ein oder mehrere Betriebsparameter basierend auf der Luftladung und/oder der Turbinenleistung bei 216 eingestellt werden. Dann kehrt das Verfahren 200 zurück.
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Somit bestimmt das Verfahren 200 einen durchschnittlichen Abgasdruck durch periodische Erfassung des Wastegate-Aktuatormotorstroms während eines oder mehrerer Kraftmaschinenzyklen. Wenn die Kraftmaschine mit Ventilüberschneidung betrieben wird, kann der Zeitpunkt der Erfassung des Motorstroms so eingestellt werden, dass er der Ventilüberschneidungsperiode entspricht. Das heißt, mindestens eine Erfassung des Motorstroms pro Kraftmaschinenzyklus kann mit einem Einlassventilöffnungsereignis eines gegebenen Zylinders synchron sein.
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4 zeigt Kennfeld 400, das beispielhafte Ventilsteuerereignisse für mehrere Zylinder und Kraftmaschinenabgasdruck zeigt. In dem in 4 gezeigten Beispiel werden die Ventilsteuerereignisse für drei Zylinder eines Vierzylindermotors dargestellt (Zylinder 1, 3 und 4), wobei eine Kraftmaschinenzündfolge von 1-3-4-2 (Zylinder 2 ist in 4 nicht dargestellt) angenommen wird. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Kraftmaschinenanordnungen möglich sind, wie zum Beispiel Sechszylindermotoren.
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Die Kurven 402 und 404 zeigen Ventilsteuerungen für ein Auslassventil (gestrichelte Kurve 402) und ein Einlassventil (durchgezogene Kurve 404) für Zylinder 1 unter normalem Kraftmaschinenbetrieb bei Teillast. Wie dargestellt, kann ein Auslassventil nahe der Zeit geöffnet werden, zu der der Kolben am Ende des Arbeitshubs seinen tiefsten Punkt erreicht. Das Auslassventil kann dann schließen, wenn der Kolben den Arbeitshub abschließt, wobei er mindestens bis zum Beginn eines nachfolgenden Ansaughubs geöffnet bleibt. Auf die gleiche Weise kann ein Einlassventil zu oder vor dem Start eines Ansaughubs geöffnet werden und mindestens bis zum Beginn eines nachfolgenden Verdichtungshubs geöffnet bleiben.
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Infolge der Zeitdifferenzen zwischen dem Schließen des Auslassventils und Öffnen des Einlassventils können vor dem Ende des Auslasshubs und nach Beginn des Ansaughubs sowohl das Einlass- als das Auslassventil für eine kurze Dauer geöffnet sein. Diese Zeitspanne, während der beide Ventile geöffnet sind, wird als positive Einlass-Auslassventilüberschneidung 406 (oder einfach Ventilüberschneidung bezeichnet), wie am Schnittpunkt der Kurven 402 und 404 durch einen schraffierten Bereich dargestellt wird. In einem Beispiel kann die Ventilüberschneidung 406 eine vorgegebene Nockenstellung der Kraftmaschine sein.
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Die Kurven 408 und 410 zeigen die Ventilsteuerungen für ein Auslassventil (Kurve 408) und ein Einlassventil (Kurve 410) von Zylinder 3. Die Ventilüberschneidung für Zylinder 3 wird durch die Ventilüberschneidung 412 dargestellt. Die Kurven 414 und 416 zeigen Ventilsteuerungen für ein Auslassventil (Kurve 414) und ein Einlassventil (Kurve 416) von Zylinder 4. Die Ventilüberschneidung für Zylinder 4 wird durch die Ventilüberschneidung 418 dargestellt.
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Während jedes Auslassereignisses wird Abgas zum Auslasskrümmer ausgetrieben, wodurch der Abgasdruck erhöht wird. Somit kann der Abgasdruck mit dem Öffnen jedes Auslassventils pulsieren. Zur Bestimmung eines Gesamtabgasdrucks kann somit der Motorstrom des Wastegate-Aktuators periodisch erfasst werden und der durchschnittliche Motorstrom zum Berechnen des durchschnittlichen Abgasdrucks verwendet werden. Da die Kraftmaschine mit einer Überlappung des Einlass- und Auslassventils arbeitet, kann die Erfassung des Motorstroms ferner so gesteuert werden, dass die Ventilüberschneidungsperiode überlappt.
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Kurve 420 zeigt den Abgasdruck im Auslasskrümmer und/oder Auslasskanal stromabwärts des Krümmers. Die gestrichelten Kästen zeigen Zeitperioden, in denen der Wastegate-Motorstrom erfasst wird, um den durchschnittlichen Abgasdruck zu berechnen. Darüber hinaus sind die schraffierten Kästen Motorstromerfassungen, die die Ventilüberschneidungsperioden der Zylinder überlappen. Wie in 4 gezeigt, wird der Motorstrom somit pro Auslassereignis viermal erfasst, wobei eine Motorstromerfassung pro Auslassereignis während der Ventilüberschneidungsperiode durchgeführt wird. Die Erfassungen während der Überschneidungsperiode können, wie gezeigt, gleichermaßen mit den anderen Erfassungen des Motorstroms zeitgesteuert werden, oder können zusätzliche Erfassungen sein, die nicht notwendigerweise zeitgleich mit den anderen Erfassungen sind.
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Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen rein beispielhaft sind und dass diese bestimmten Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne betrachtet werden sollen, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technologie kann zum Beispiel auf V-6-, R-4-, R-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Motortypen angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt somit alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart sind, ein.
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Die folgenden Ansprüche weisen speziell auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf ”ein” Element oder ”ein erstes” Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten als den Einschluss von einem oder mehreren solchen Elementen umfassend verstanden werden, wobei sie zwei oder mehr solche Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder anders in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
