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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Liefergrades in einem Zylinder einer aufgeladenen Otto-Brennkraftmaschine bei spülendem Ladungswechsel, ein Motorsteuergerät einer Otto-Brennkraftmaschine, ein Kraftfahrzeug mit einer Otto-Brennkraftmaschine sowie ein Computerprogrammprodukt für ein Motorsteuergerät.
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Verfahren zur Bestimmung eines Liefergrades in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt die
EP 1 956 211 A2 ein Verfahren zur Beladung eines Zylinders eines längsgespülten Zweitakt-Großdieselmotors mit Ladeluft sowie einen längsgespülten Zweitakt-Großdieselmotor. Diese Lehre beschreibt, dass eine Luftmenge ermittelt wird, die nach dem Schließen des Auslassventils und der Spülschlitze tatsächlich im Zylinder vorhanden ist. Weiter geht diese Lehre davon aus, dass bei der Ermittlung der Menge an Ladeluft im Zylinder weitere Eigenschaften und Parameter des Motors in Betracht gezogen werden. Für weitere Ausgestaltungen der Erfindung ist beschrieben, dass ein Umgebungsdrucksensor vorgesehen sein kann sowie ein Zylinderdrucksensor zur Erfassung des Zylinderdruckverlaufs.
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Aus der
EP 1 759 105 B1 geht ein Verfahren hervor, bei dem die Luftmasse im Zylinder durch einen linearen Zusammenhang zwischen Luftmasse und Druck im Ansaugtrakt beschrieben wird. Dabei werden weiterhin im Bereich eines größeren Ansaugdruckes als der Abgasdruck die Luftwerte mit Hilfe des Fanggrades korrigiert. Der Wert für die Luftmasse wird dabei aus einer Referenzkennlinie mit dem Wert für das im Brennraum verbleibende Restgas korrigiert. Es kann beispielsweise die Luftmasse für das Restgas in einer Kennlinie abhängig von den Betriebsbedingungen, wie etwa Drehzahl, Ventilsteuerzeiten und Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsdruck, über den Druck im Ansaugtrakt definiert sein. In dieser Lehre wird durch Korrelation auf die Luftmasse im Zylinder geschlossen.
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Aus der
DE 103 46 747 A1 geht ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich hervor. Diese Lehre beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, bei dem der Zylinder vor dem Ladungswechsel im Bereich des oberen Todpunktes mit Frischgas gespült wird. Der Spüleffekt führt dabei zu einer Anpassung des Zylinderluftverhältnisses.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbesserung eines Betriebs einer Otto-Brennkraftmaschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Motorsteuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10, mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie mit einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Insbesondere können das Verfahren und das Motorsteuergerät aber auch beispielsweise das Verfahren mit dem Computerprogrammprodukt sowie mit dem Kraftfahrzeug zusammen genutzt werden. Auch weitere Kombinationen zwischen dem Verfahren, dem Motorsteuergerät, dem Kraftfahrzeug und dem Computerprogrammprodukt sind möglich. Weiterhin ist es jeweils auch vorgesehen und möglich, einzelne Merkmale des Verfahrens, des Motorsteuergeräts, des Kraftfahrzeugs sowie des Computerprogrammproduktes beliebig zu kombinieren.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Liefergrades in einem Zylinder einer aufgeladenen Otto-Brennkraftmaschine bei spülendem Ladungswechsel mit mindestens einem ersten und einem zweiten Bereich pro Arbeitstakt im Zylinder vorgeschlagen, wobei der Zylinder in dem ersten Bereich gespült wird und in dem zweiten Bereich nicht gespült wird und wobei dem ersten Bereich ein erster Liefergrad und dem zweiten Bereich ein zweiter Liefergrad zugeordnet ist, wobei aus einem aus Betriebspunkten ohne Spülen bekannten Zusammenhang zwischen einem indizierten Mitteldruck in dem zweiten Bereich und dem zweiten Liefergrad auf den ersten Liefergrad in Betriebspunkten mit spülendem Ladungswechsel und auf einen Spülgrad geschlossen wird.
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Dabei verläuft ein Arbeitstakt im Zylinder beispielsweise in vier Arbeitsschritten, bei denen sich die Kurbelwelle zweimal um 360° dreht und der Kolben sich in vier Schritten, zweimal aufwärts und zweimal abwärts, bewegt.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann ein Arbeitstakt im Zylinder auch beispielsweise zwei Arbeitsschritte beinhalten. Dabei dreht sich die Kurbelwelle während eines Arbeitstaktes nur einmal um 360° und der Gaswechsel ist offen. Der Kolben bewegt sich dabei ein Mal auf und ein Mal ab.
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Unter dem indizierten Mitteldruck im zweiten Bereich wird der über den zweiten Bereich gemittelte Druck im Brennraum verstanden, wobei dieser die auf das Hubvolumen bezogene Arbeit im zweiten Bereich darstellt. Der indizierte Mitteldruck im zweiten Bereich lässt sich somit aus einer Indizierung des Motors bestimmen. Über die geometrischen Gegebenheiten des Kurbeltriebes kann so die verrichtete Arbeit bestimmt werden.
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Der Spülgrad ist hier als eine Größe zu verstehen, welche in Prozent angegeben wird und den Anteil der aus dem Zylinder heraus- bzw. hindurchgespülten Füllungsmenge oder Luftmenge angibt.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens ist der zweite Bereich während einer Hochdruckschleife gelegen. Dabei werden die Verdichtungs- und Arbeitsdruckkurve eines pV-Diagramms einer Otto-Brennkraftmaschine als Hochdruckschleife zugrundegelegt.
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Als Definition für einen Liefergrad allgemein in diesem Zusammenhang wird das Verhältnis aus der Summe der im Zylinder vorhandenen Luftmasse oder Luft- und Brennstoffmasse, nämlich der Füllungsmenge des Zylinders, zu einer theoretischen Luftmasse oder Luft- und Brennstoffmasse, einer theoretischen Füllungsmenge des Zylinders, zugrunde gelegt.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens können zumindest mehrere der folgenden Schritte, bevorzugt mindestens alle der folgenden Schritte umfasst sein:
- • Messen des indizierten Mitteldrucks in dem Zylinder in dem zweiten Bereich,
- • Bestimmen des zweiten Liefergrads aus dem bekannten Zusammenhang zwischen indiziertem Mitteldruck im zweiten Bereich und dem zweiten Liefergrad,
- • Bestimmen einer für den indizierten Mitteldruck theoretisch benötigten Füllungsmenge,
- • Messen einer tatsächlich in den Zylinder geströmten Füllungsmenge,
- • Berechnen eines theoretischen Liefergrads aus dem indizierten Mitteldruck in dem zweiten Bereich,
- • Bestimmen einer Differenz von tatsächlich in den Zylinder geströmter Füllungsmenge zu dem zweiten Liefergrad,
- • Berechnen einer durchgespülten Füllungsmenge aus einer Differenz von tatsächlich in den Zylinder geströmter Füllungsmenge zu dem zweiten Liefergrad und
- • Berechnen des Spülgrades aus der Differenz von tatsächlich in den Zylinder geströmter Füllungsmenge zu dem zweiten Liefergrad und der tatsächlich in den Zylinder eingeströmten Füllungsmenge.
- • Schließen auf den ersten Liefergrad aus einem aus Betriebspunkten ohne Spülen bekannten Zusammenhang zwischen dem indizierten Mitteldruck im zweiten Bereich und dem zweiten Liefergrad.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren auch eine beliebige Kombination einzelner der oben genannten Schritte beinhalten.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der zweite Bereich in einer Hochdruckschleife gelegen ist und dabei einen Kompressions- und einen Expansionshub beinhaltet, währenddessen der Zylinder nicht gespült wird. Dabei kann, bezogen auf ein pV-Diagramm vorgesehen sein, dass der zweite Bereich während der Hochdruckschleife sowohl in einem Bereich während der Verdichtungs- und Arbeitsdruckkurve liegt, während einer Zeitspanne, währenddessen der Zylinder nicht gespült wird.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens werden beispielsweise einzelne Verfahrensschritte bei jeweils konstanten Motorparametern durchgeführt. Diese Motorparameter sind dabei vorzugsweise Drehzahl, Abgaslambda, Verdichtungsverhältnis und Verbrennungsschwerpunktlage. Der Zusammenhang von indiziertem Mitteldruck im zweiten Bereich, vorzugsweise während einer Hochdruckschleife, und dem zweiten Liefergrad im Brennraum bei homogenen Brennverfahren, wird dabei sehr gut durch eine Gerade angenähert. Die Randbedingung eines konstanten Verdichtungsverhältnisses ist beispielsweise bei den allermeisten, ausgeführten Motoren durch die Konstruktion gegeben. Bei Motoren mit variablen Verdichtungsverhältnis kann vorzugsweise ein geeignetes Verdichtungsverhältnis für die Bestimmung des zweiten Liefergrades konstant eingestellt werden. Die Verbrennungsschwerpunktlage kann beispielsweise durch die Anpassung des Zündwinkels in verschiedenen Betriebspunkten konstant gehalten werden. Die absolute Lage orientiert sich dabei in einem weiteren Beispiel an einem Punkt mit der höchsten Klopfneigung, also vorzugsweise einem Punkt mit der höchsten Zylinderfüllung. Ein Lambda-Wirkungsgrad kann in der Regel vorab nicht konstant gehalten werden, da dies die Kenntnis eines Liefergrades im Brennraum schon voraussetzen würde. Der Lambda-Wirkungsgrad wird jedoch in einer weiteren möglichen Ausgestaltungsform in der späteren Auswertung in einem iterativen Verfahren berücksichtigt.
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Zur Bestimmung eines linearen Zusammenhangs zwischen dem zweiten Liefergrad und indiziertem Mitteldruck im zweiten Bereich können beispielsweise zwei Betriebspunkte, in denen ein Durchspülen von Frischgas sicher ausgeschlossen werden kann, unter den oben genannten Randbedingungen gemessen werden. Bei Motoren mit variablen Steuerzeiten kann beispielsweise eine Steuerzeit ohne Überschneidung und/oder ohne Spülen gewählt werden. Falls dies aus konstruktiven Gründen nicht möglich ist, können Punkte in der Teillast gewählt werden, bei denen der Abgasgegendruck im Bereich der Überschneidung größer ist als der Saugrohrdruck. Um den Einfluss eines Restgasanteils im Zylinder zu minimieren, sollten hierzu Punkte etwas unterhalb einer Saugvolllast gewählt werden. Ein Abgaslambda kann zur Vereinfachung der Auswertung vorzugsweise in allen Betriebspunkten konstant gehalten werden. Hierzu eignet sich zum Beispiel eine Regelung über die Motorsteuerung mittels Breitbandsonde im Abgasstrang. Wenn der lineare Zusammenhang aus bei einem bekannten Abgaslambda und damit Brennraumlambda und konstanten Schwerpunktlage bekannt ist, kann in Punkten mit spülendem Ladungswechsel die gesamte geförderte Luftmasse pro Arbeitsspiel, das Abgaslambda und der indizierte Mitteldruck der Hochdruckschleife gemessen werden. Der Zündwinkel wird dabei vorzugsweise so angepasst, dass sich die gleiche Schwerpunktlage wie in den Punkten ohne Spülen einstellt. Das Ergebnis dieser Messungen ist dann eine Punkteschar.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Lambda-Korrektur als Iteration ausgeführt.
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Die Lambda Korrektur kann beispielsweise im Zylinder bei konstantem Abgaslambda durchgeführt werden. Unter Berücksichtigung eines Lambda-Wirkungsgrades kann dieser beispielsweise als iteratives Verfahren zur Bestimmung einer Spülrate herangezogen werden, welche den prozentualen Anteil einer durchgespülten Luftmenge beziehungsweise Füllungsmenge des Zylinders von der gesamten geförderten Luft- beziehungsweise Füllungsmenge darstellt.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird aus dem indizierten Mitteldruck im zweiten Bereich und dem zweiten Liefergrad ein Verhältnis gebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird aus dem Verhältnis von indiziertem Mitteldruck im Zylinder in dem zweiten Bereich und dem zweiten Liefergrad eine lineare Gleichung ermittelt.
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Bevorzugt wird in einer weiteren Ausgestaltung eine Spülrate aus der Differenz von tatsächlich in den Zylinder hineingeströmten Füllungsmenge zu dem zweiten Liefergrad als Maß für eine aus dem Zylinder herausgespülte Füllungsmenge ermittelt. Die Spülrate wächst dabei mit steigendem Saugrohrdruck bei konstanter Drehzahl.
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Zusätzlich wie auch getrennt von einem oben erläutertem Verfahren wird gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ein Motorsteuergerät einer Otto-Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei in dem Motorsteuergerät das Verfahren für eine Bestimmung eines Liefergrades in einem Zylinder einer aufgeladenen Otto-Brennkraftmaschine gemäß dem oben beschriebenen Verfahren implementiert ist.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird zusätzlich oder getrennt davon ein Kraftfahrzeug beansprucht, welches ein oben beschriebenes Motorsteuergerät umfasst.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird zusätzlich oder getrennt davon ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung aller Verfahrenschritte gemäß einem obigen Verfahren vorgeschlagen, wenn das Computerprogrammprodukt in einem Motorsteuergerät ausgeführt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den nachfolgenden Zeichnungen angegeben. Die daraus hervorgehenden jeweiligen Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr können einzelne Merkmale mit denjenigen anderer Ausgestaltungen der Zeichnungen wie auch mit Merkmalen der obigen Beschreibung zur Weiterbildung kombiniert werden. Es zeigen:
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1 einen Zusammenhang von einem indiziertem Mitteldruck im zweiten Bereich in bar zu einem zweiten Liefergrad in Prozent ohne Spülen für eine erste Motorvariante,
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2 einen weiteren Zusammenhang von einem indiziertem Mitteldruck im zweiten Bereich zu einem zweiten Liefergrad in Prozent ohne Spülen für eine zweite Motorvariante,
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3 einen indizierten Mitteldruck im zweiten Bereich in bar über einem zweiten Liefergrad in Prozent bei einer späteren Verbrennungsschwerpunktlage als in 1 und 2 ohne Spülen,
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4 einen indizierten Mitteldruck im zweiten Bereich in bar über einem zweiten Liefergrad in Prozent wie in 3 erweitert um Betriebspunkte mit Spülen und
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5 eine Spülrate in Prozent über einem Saugrohrdruck für verschiedene Drehzahlen.
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In 1 ist ein indizierter Mitteldruck pmi des zweiten Bereichs in bar über einem zweiten Liefergrad L in Prozent einer möglichen Motorvariante A dargestellt, wobei eine Ventilüberschneidung zwischen 0 und 35° Kurbelwelle stattfindet. Dieses Diagramm bezieht sich auf den zweiten Bereich in dem der Zylinder nicht gespült wird. Abgas- und Brennraumlambda sind hierbei konstant gehalten und betragen 1. Die Schwerpunktlage beträgt in diesem Beispiel 8° Kurbelwelle nach OT in einem Drehzahlbereich von 1000 bis 6250 min–1. Im Ergebnis ist hier ein linearer Zusammenhang zwischen dem indizierten Mitteldruck des zweiten Bereichs und der Zylinderfüllung, nämlich dem zweiten Liefergrad L, dargestellt. Dabei ist der Zusammenhang zwischen dem zweiten Liefergrad L und dem indizierten Mitteldruck im zweiten Bereich nahezu unabhängig von der Drehzahl und dem Restgasgehalt, beziehungsweise der Nockenwellenposition.
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In 2 ist ein Diagramm für eine weitere Motorvariante B dargestellt, bei der ein zweiter Liefergrad L in Prozent auf der X-Achse und ein indizierter Mitteldruck pmi des zweiten Bereichs auf der Y-Achse ohne Spülen dargestellt ist. Dabei findet eine Ventilüberschneidung in einem Nockenwellenbereich von 0 bis 40° Kurbelwelle statt. Abgas- und das Brennraumlambda sind auch hier konstant auf 1 gehalten. Das Ergebnis dieser Darstellung ist auch hier ein linearer Zusammenhang zwischen dem indizierten Mitteldruck pmi im zweiten Bereich und dem zweiten Liefergrad L. Auch hier ist dargestellt, dass der Zusammenhang zwischen dem zweiten Liefergrad L und dem indiziertem Mitteldruck pmi des zweiten Bereichs nahezu unabhängig von der Drehzahl und einem Restgasgehalt, beziehungsweise einer Nockenwellenposition, ist.
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Wenn der lineare Zusammenhang aus Punkten ohne Spülen bei einem bekannten Abgas- und damit Brennraumlambda bei konstanter Schwerpunktlage bekannt ist, wird in Punkten mit spülenden Ladungswechsel die gesamte geförderte Füllungsmenge des Zylinders pro Arbeitstakt, sowie das Abgaslambda und der indizierte Mitteldruck des zweiten Bereichs gemessen. Der Zündwinkel wird dabei vorzugsweise so angepasst, dass sich die gleiche Schwerpunktlage wie in den Punkten ohne Spülen einstellt. Das Ergebnis solcher Messungen zeigen die 3 und 4.
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3 zeigt den indizierten Mitteldruck pmi im zweiten Bereich in bar über einem Luftaufwand L in Prozent in dem zweiten Bereich ohne Ventilüberschneidung. Hierbei handelt es sich um einen Drehzahlbereich von 1250 bis 3000 min–1 bei einer Schwerpunktlage von 25° Kurbelwelle nach OT.
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Weiter ist in 4 ein indizierter Mitteldruck pmi des zweiten Bereichs in bar über einem Luftaufwand L in Prozent in Betriebspunkten mit und ohne Ventilüberschneidung dargestellt. Der hier dargestellte Graph ist somit ausgehend von einer Darstellung gemäß 3 um Betriebspunkte mit Spülen erweitert. Der Drehzahlbereich hierfür ist 1250 bis 3000 min–1 bei einer Schwerpunktlage von 25° Kurbelwelle nach OT.
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Bei spülendem Ladungswechsel wird mehr Füllungsmenge des Zylinders gefördert als für die Darstellung des indizierten Mitteldrucks der Hochdruckschleife im zweiten Bereich notwendig ist. Der horizontale Abstand a der Punkte in 4 ist somit ein Maß für die durchgespülte Füllungsmenge, also der Differenz von theoretischen Liefergrad zu tatsächlichem Liefergrad im zweiten Bereich. Unter Berücksichtigung eines Lambda-Wirkungsgrades kann eine durchgespülte Füllungsmenge in einem iterativen Verfahren zur Bestimmung einer Spülrate genutzt werden. Eine solche Spülrate stellt den prozentualen Anteil einer durchgespülten Füllungsmenge einer gesamten in den Zylinder geförderten Füllungsmenge dar. Das Ergebnis dieser Zusammenhänge stellt die nachfolgende 5 dar.
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In 5 ist eine Spülrate in Prozent über dem Saugrohrdruck in mbar dargestellt. Der Drehzahlbereich ist hier mit 1250 bis 3000 min–1 gewählt. Der in diesen Graph gewählte Zusammenhang bezieht sich auf die Motorvariante B wie in 2. Die Spülraten hierbei beschränken sich auf maximale Ventilüberschneidung bei verschiedenen Drehzahlen, wobei eine Spülrate mit steigender Drehzahl aufgrund des steigenden Abgasdruckes sinkt. Bei gleicher Drehzahl ergibt sich eine wurzelförmige Abhängigkeit einer Spülrate vom Saugrohrdruck. Die Spülrate wächst erwartungsgemäß bei konstanter Drehzahl mit steigendem Saugrohrdruck ähnlich einer Wurzelfunktion an, da das Spülverhalten der Drosselfunktion gehorcht, wobei der Motor selbst eine Drossel darstellt. Bei höheren Drehzahlen ist bei gleichem Saugrohrdruck ein höherer Abgasdruck vorhanden, weshalb das Druckverhältnis über den Motor sinkt und die Spülraten entsprechend geringer sind.
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6 zeigt eine schematische Zeichnung eines Kraftfahrzeugs 1, welches eine Otto-Brennkaftmaschine 2 umfasst. Die Otto-Brennkraftmaschine weist ein Motorsteuergerät 3 auf. Das Motorsteuergerät 3 umfasst eine Computereinheit 4, welche ein Speichermedium 5 aufweist, worauf ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist. Das Computerprogrammprodukt kann Programmteile umfassen, welche Verfahrensschritte gemäß 7 steuern können und/oder zumindest mehrere, bevorzugt alle Schritte gemäß 7 ausführen.
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7 zeigt beispielhaft ein Schema 10 zur Umsetzung eines oben vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung eines Liefergrades. Dabei wird aus den Eingangsgrößen, dem indizierter Mitteldruck im zweiten Bereich 1 und dem Verhältnis von indiziertem Mitteldruck im zweiten Bereich und dem zweiten Liefergrad 2, zunächst auf den zweiten Liefergrad 3 geschlossen. Der indizierte Mittelduck im zweiten Bereich 1 ist dabei eine Messgröße und das Verhältnis von indiziertem Mitteldruck im zweiten Bereich und dem L zweiten Liefergrad 2 ist vorbekannt. Aus dem indizierter Mitteldruck im zweiten Bereich 1 wird eine theoretische Füllungsmenge 4 berechnet. Aus dem indizierter Mitteldruck im zweiten Bereich 1 und einer tatsächlich in den Zylinder hineingeströmten Füllungsmenge 5 wird in einem weiteren Schritt ein theorertischer Liefergrad 6 bestimmt. Aus der tatsächlich in den Zylinder hineingeströmten Füllungsmenge 5 und dem zweiten Liefergrad 3 wird eine Differenz 7 gebildet, aus der eine durchgespülte Füllungsmenge 8 berechnet wird. Aus der Differenz 7 und der tatsächlich in den Zylinder hineingeströmten Füllungsmenge 5 wird weiter auf eine Spülrate 9 geschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1956211 A2 [0002]
- EP 1759105 B1 [0003]
- DE 10346747 A1 [0004]
