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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Drosselklappensteuerungsvorrichtung zum Steuern einer Position einer Drosselklappe in einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors, ein Computerprogramm sowie ein elektronisches Speichermedium.
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Stand der Technik
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass mittels einer Drosselklappe, die in einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, ein Strömungsquerschnitt im Gaszuführungssystem für einen oder mehrere Zylinder des Verbrennungsmotors gezielt geändert werden kann, um dem Verbrennungsmotor eine gewünschte Sollmenge an Gas, die sogenannte externe Gasfüllung, zuzuführen. Dazu ist die Drosselklappe mittels eines Aktuators bewegbar, der dazu eingerichtet ist, eine Winkelstellung der Drosselklappe relativ zum Saugrohr einzustellen. In einer Steuerung der Position der Drosselklappe wird üblicherweise eine Berechnung des gewünschten Gasmassenstroms ṁ soll / dr, also des Sollgasmassenstroms, der über die Drosselklappe im Saugrohr fließt, auf Grundlage der Sollwertvorgabe der Gasfüllung ṁ soll / zyl,in, die in den Zylinder einströmen soll, mittels ṁ soll / dr = kms·m soll / zyl,in berechnet. Dabei hängt der Faktor kms = kms(Nzyl, nmot) von der Zylinderanzahl Nzyl sowie des Zylindervolumens des Verbrennungsmotors und der aktuellen Motordrehzahl nmot ab und gibt eine Umrechnung von der Gasfüllung m in den Gasmassenstrom ṁ an.
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Es ist wünschenswert, Mechanismen bereitzustellen, mit denen eine genaue und einfache Ansteuerung der Drosselklappenposition im Saugrohr erreicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Steuern einer Position einer Drosselklappe in einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, durch das Gas zu einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei das Verfahren die Schritte Ermitteln eines gewünschten Gasmassenstroms, der im Saugrohr über die Drosselklappe fließt, unter Berücksichtigung einer Gasdynamik in dem Saugrohr, Ermitteln eines Steuersignals für die Drosselklappe unter Verwendung des ermittelten, gewünschten Gasmassenstroms und Steuern der Position der Drosselklappe basierend auf dem Steuersignal aufweist.
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Die Erfinder haben vorteilweise erkannt, dass eine genaue und einfache Steuerung der Position der Drosselklappe, die beispielsweise durch eine Winkelstellung der Drosselklappe relativ zum Saugrohr gegeben ist, dadurch erreicht werden kann, das eine Gasdynamik in dem Saugrohr berücksichtigt wird, die den gewünschten Gasmassenstrom über die Drosselklappe beeinflusst. Insgesamt kann dadurch eine genauere Gasfüllung für den oder die Zylinder des Verbrennungsmotors und damit eine bessere Dynamik bei der Gasfüllung für die Verbrennung erreicht werden. Dadurch kann ein Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht und eine Emission und ein Verbrauch an Brennstoff durch den Verbrennungsmotor reduziert werden.
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Das Gas, das in dem Saugrohr fließen kann, kann beispielsweise Luft oder ein Abgas-Luft-Gemisch, oder ein Gemisch aus Brennstoff und dem Gas sein. Dabei kann die Verwendung eines Abgasanteil in der Frischluftzuführung für den Zylinder des Verbrennungsmotors beispielsweise zur Emissionsreduzierung oder zur Reduzierung des Verbrauchs an Brennstoff des Verbrennungsmotors betragen.
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In einer Ausführungsform kann die berücksichtigte Gasdynamik in dem Saugrohr von einer Nockenwellenverstellung einer Nockenwelle, die insbesondere mit einem Einlassventil für den Zylinder des Verbrennungsmotors in Wirkverbindung stehen kann, abhängen. Die Nockenwelle kann beispielsweise eine Phase des Einlassventils, also wann das Einlassventil in Abhängigkeit von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors öffnet bzw. schließt, und einen Hub des Einlassventils regulieren, was sich wiederum auf die Gasfüllung für den Zylinder des Verbrennungsmotors auswirken kann. Dadurch kann ein ungewollter Einfluss der Nockenwelle auf die tatsächlich zu erreichende Gasfüllung in dem Zylinder des Verbrennungsmotors kompensiert werden, indem die aktuelle Nockenwellenverstellung, die das Flussverhalten des Gasmassenstrom in dem Verbrennungsmotor mitbestimmt, berücksichtigt werden kann.
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In einer Ausführungsform kann der gewünschte Gasmassenstrom unter Berücksichtigung der Gasdynamik in dem Saugrohr ermittelt werden, wenn eine hohe Gasdynamik des Gases in dem Saugrohr angefordert ist. Somit kann das Steuerungsverfahren dann zum Greifen kommen, wenn eine hohe Dynamik bezüglich der Gasfüllung in dem Zylinder, beispielsweise in Abhängigkeit eines Betriebspunkts des Verbrennungsmotors, angefordert wird, also wenn eine hohe Genauigkeit der Steuerung der Position der Drosselklappe wünschenswert ist. Dazu kann beispielsweise ermittelt werden, ob eine gewisse Geschwindigkeit oder ein gewisses Drehmoment vom Fahrer kurzfristig bzw. schnell angefordert wird. Ein solcher Betriebspunkt kann ein gewünschter Sportmodus sein, bei dem schnell Drehmoment vom Fahrer angefordert wird. Ist dies der Fall, kann das Steuersignal unter Verwendung der erhöhten Gasdynamik in dem Saugrohr ermittelt werden.
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In einer Ausführungsform kann der gewünschte Gasmassenstrom zusätzlich unter Berücksichtigung einer gewünschten Gasfüllung des Gases für den Zylinder ermittelt werden. Diese Maßnahme kann auf einfache Art eine herkömmliche Berechnung des Steuersignals berücksichtigen, die beispielweise auch verwendet wird, wenn keine hohe Gasdynamik des Gases in dem Saugrohr angefordert worden ist.
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In einer Ausführungsform kann der gewünschte Gasmassenstrom, der über die Drosselklappe fließt, mittels
ermittelt werden. Dabei kann
ṁ soll / dr den Gasmassenstrom, der über die Drosselklappe fließt, bezeichnen, k
ms eine Umrechnung zwischen dem gewünschten Gasmassenstrom
ṁ soll / zyl,in in den Zylinder und einer gewünschten Gasfüllung
m soll / zyl,in für den Zylinder angeben, und R die spezifische Gaskonstante, T
sr die Temperatur im Saugrohr, V
sr das Volumen des Saugrohrs, V
zyl das, insbesondere feste bzw. physikalische, Volumen des Zylinders und η
VOL den Liefergrad (Engl. volumetric efficiency) bezeichnen. Die Ermittlung des Steuersignals kann daher physikalische Gegebenheiten des Strömungsverhaltens des Gases in dem Saugrohr widerspiegeln und ist besonders einfach und mit hoher Genauigkeit durchführbar, da alle Parameter dieser Berechnungsart als feste Größen in dem System vorliegen können. Insbesondere kann die Temperatur gemessen oder mittels eines Temperaturmodells modelliert werden. Die Gasfüllung für den Zylinder kann den Fahrerwunschbedarf an gewünschtem Drehmoment angeben und aus einer Pedalstellung eines Pedals, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, ermittelt werden. Der Liefergrad kann aus einer Einlasserhebungskurve der Nockenwelle ermittelt werden.
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Das Steuern kann Zuführen des ermittelten Steuersignals zu einem Aktuator für die Drosselklappe aufweisen, so dass der Aktuator die Position der Drosselklappe gemäß dem zugeführten Steuersignal einstellen kann.
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In einer Ausführungsform kann das Steuern mittels Regelns der Position der Drosselklappe basierend auf dem ermittelten Steuersignal durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann also zuerst in einer Vorsteuerung das Steuersignal ermittelt werden, das dann in einer nachgeschalteten Positionsregelung zusammen mit einer gemessenen Istposition der Drosselklappe zur Regelung der Position der Drosselklappe verwendet werden kann. Aus dem ermittelten Steuersignal und der gemessenen Istposition kann durch das Regeln ein modifiziertes Steuersignal als Stellgröße für die Drosselklappe ermitteltet und dem Aktuator für die Drosselklappe zugeführt werden. Diese Maßnahme kann auf einfache Weise die Genauigkeit der Positionsansteuerung der Drosselklappe im Saugrohr erhöhen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt ist eine Drosselklappensteuerungsvorrichtung zum Steuern einer Position einer Drosselklappe in einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt auszuführen. Die Drosselklappensteuerungsvorrichtung kann Bauteil eines elektronischen Steuergeräts für den Verbrennungsmotor sein. Dazu können die Drosselklappensteuerungsvorrichtung und/oder das elektronische Steuergerät mittels Hardware und/oder Software realisiert sein. Beispielweise können die Drosselklappensteuerungsvorrichtung und/oder das elektronische Steuergerät eine oder mehrere Einheiten aufweisen, die dazu eingerichtet sind, eine oder mehrere der Verfahrensschritte durchzuführen und/oder einen herkömmlichen, zu Allgemeinzwecken verwendbaren Prozessor mit einem Computerprogramm oder eine oder mehrere Einheiten aufweisen, die beispielsweise elektronische Bauteile, wie Schaltungen, Kapazitäten, Transistoren oder ähnliches, aufweisen.
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Gemäß einem dritten Aspekt ist eine Anordnung zum Steuern einer Position einer Drosselklappe in einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, das eine Drosselklappensteuerungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt und eine Regelvorrichtung zum Regeln der Position der Drosselklappe basierend auf einem von der Drosselklappensteuerungsvorrichtung ermittelten Steuersignal aufweist. Die Anordnung kann Teil des zuvor beschriebenen elektronischen Steuergeräts für den Verbrennungsmotor sein. Die Regelvorrichtung kann mittels Hardware und/oder Software realisiert sein. Beispielweise kann die Regelvorrichtung eine oder mehrere Einheiten aufweisen, die dazu eingerichtet sind, die nachgeschaltete Regelung der Drosselklappenposition durchzuführen und/oder einen herkömmlichen, zu Allgemeinzwecken verwendbaren Prozessor mit einem Computerprogramm oder eine oder mehrere Einheiten aufweisen, die beispielsweise elektronische Bauteile, wie Schaltungen, Kapazitäten, Transistoren oder ähnliches, aufweisen.
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Gemäß einem vierten Aspekt ist ein Computerprogramm bereitgestellt, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen. Das Computerprogramm kann dazu beispielsweise von der Drosselklappensteuerungsvorrichtung und optional von der Regelvorrichtung oder beispielsweise von dem elektronischen Steuergerät ausgeführt werden. Wie oben erwähnt, kann die Drosselklappensteuerungsvorrichtung, die Regelvorrichtung bzw. das elektronische Steuergerät den herkömmlichen, zu Allgemeinzwecken verwendbaren Prozessor aufweisen, auf dem das Computerprogramm ablaufen kann.
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Gemäß einem fünften Aspekt ist ein elektronisches Speichermedium bereitgestellt ist, auf dem das Computerprogramm gemäß des vierten Aspekts gespeichert sein kann. Das elektronische Speichermedium kann beispielsweise als externer Speicher, als interner Speicher, als Festplatte oder als USB-Speichergerät ausgebildet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer Drosselklappe in einem Saugrohr, deren Position ansteuerbar ist, und
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Steuern einer Position der Drosselklappe in 1 gemäß einer Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt, der mittels eines elektronischen Steuergeräts 12 ansteuerbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Zylindern 14 auf, von denen der Übersicht halber lediglich ein Zylinder 14 dargestellt ist. Der vorliegende Verbrennungsmotor 10 kann beispielsweise ein 4-Zylinder-Ottomotor sein.
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Der Zylinder 14 weist einen Brennraum 16 auf, dessen freies Volumen durch eine Bewegung eines Kolbens 18 vergrößerbar und verkleinerbar ist. Der Zylinder 14 ist mit einem Einlassventil 20 versehen, um Gas, beispielsweise Frischluft oder ein Abgas-Frischlust-Gemisch, oder ein Gemisch aus Brennstoff und dem Gas in den Brennraum 16 einzulassen. Das Gas bzw. das Gemisch wird über ein Saugrohr 22 eines Luftzuführungssystems zugeführt, an dem sich ein Saugrohreinspritzventil 24 befindet, das Bauteil eines Injektors einer Saugrohreinspritzung ist. Mittels des Saugrohreinspritzventils 24 wird Brennstoff in das Saugrohr 24 eingespritzt, so dass sich dort das Brennstoff-Gas-Gemisch bildet, das über das Einlassventil 22 in den Brennraum 16 des Zylinders 14 zuführbar ist. Verbrennungsabgase werden nach einer Verbrennung aus dem Zylinder 14 über ein Abgasabführungsrohr 26 eines Abgasabführungssystems ausgestoßen. Das Ausstoßen erfolgt abhängig von einem Öffnen eines Auslassventils 28, das ebenfalls an dem Zylinder 14 angeordnet ist. Ein- und Auslassventile 20, 28 werden geöffnet und geschlossen, um einen Viertaktbetrieb des Verbrennungsmotors 10 in bekannter Weise auszuführen. An dem Zylinder 14 kann ferner ein Direkteinspritzventil 30 angeordnet sein, das Bauteil eines Injektors ist, um Brennstoff direkt in den Brennraum 16 einzuspritzen. Der Injektor mit dem Brennstoffdirekteinspritzventil 30 ist Bauteil einer Brennstoffdirekteinspritzung. Der Zylinder 14 ist ferner mit einer Zündeinrichtung 32 versehen, um zum Starten eine Verbrennung in dem Brennraum 16 einen Zündfunken zu erzeugen. Eine Drosselklappe 34 ist in dem Saugrohr 22 angeordnet und dient zum Einstellen einer gewünschten Gasfüllung für den Zylinder 14 über einen gewünschten Gasmassenstrom im Saugrohr 22. Eine Winkelposition der Drosselklappe 34 ist mittels eines Aktuators 36 einstellbar, der mit der Drosselklappe 34 in Wirkverbindung steht. Das Einlassventil 20 ist ferner mittels einer Nockenwelle 38 bewegbar, und es kann ein Ventilspiel 40 zwischen der Nockenwelle 38 und dem Einlassventil 20 vorgesehen sein. Ein optionaler Temperatursensor 42 ist an dem Saugrohr 22 angeordnet und dient zum Erfassen einer Temperatur in dem Saugrohr. Ein, insbesondere optionaler, Winkelsensor 44 ist an dem Aktuator 36 angeordnet und dazu eingerichtet, eine Winkelposition der Drosselklappe 34 zeitabhängig zu erfassen.
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Das elektronische Steuergerät 12 weist eine Anordnung auf, die eine Drosselklappensteuerungsvorrichtung 50 aufweist, die als Vorsteuerung ein Steuersignal für den Aktuator 38 ausgibt, das eine gewünschte bzw. Sollwinkelstellung der Drosselklappe 34 angibt. Das Steuersignal ist einer nachgeschalteten Regelvorrichtung 52 zum Regeln der Position der Drosselklappe 34 zuführbar. Die Regelvorrichtung 52 ist ebenfalls Bauteil der Anordnung, also des elektronischen Steuergeräts 12. Die Drosselklappensteuerungsvorrichtung 50 weist eine Einheit 54 zum Ermitteln des gewünschten Gasmassenstroms, der in dem Saugrohr 22 über die Drosselklappe 34 fließt, unter Berücksichtigung einer Gasdynamik in dem Saugrohr 22 auf. Ein Ausgabesignal der Einheit 54 ist einer Einheit 56 zum Ermitteln des Steuersignals für die Drosselklappe 34 unter Verwendung des berechneten, gewünschten Gasmassenstroms eingerichtet. Ein Ausgabesignal der Einheit 56 dient als Sollwert für die Regelvorrichtung 52, der ebenfalls ein Signal zuführbar ist, das eine mittels des Sensors 44 gemessene Istwinkelstellung der Drosselklappe 34 der Regelvorrichtung 52 angibt. Die Regelvorrichtung 52 ist dazu eingerichtet, in bekannter Weise eine Positionsregelung der Drosselklappe 34 auszuführen, indem mittels der geregelten Istwinkelposition der Drosselklappe 34 der gewünschte Gasmassenstrom über die Drosselklappe 34 umsetzbar ist.
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Die Vorsteuerung der Drosselklappenposition beruht auf einer Erkenntnis, dass eine verbesserte Gasfüllung für den Zylinder
14 dadurch erreicht wird, dass eine Gasdynamik in dem Saugrohr
22 berücksichtigt wird. Unter Berücksichtigung einer physikalischen Modellierung der Massenstrombilanz im Saugrohr
22 erkennt man, dass der Gasmassenstrom ṁ
dk, der über die Drosselklappe
34 in dem Saugrohr
22 fließt, einen Anteil aufweist, der von einem Gasmassenstrom ṁ
zyl,in des Gases, der in den Zylinder
14 einströmt, abhängt. Ein weiterer Anteil des Massenstroms ṁ
dk über die Drosselklappe beschreibt eine Dynamik des Gases, das in dem Saugrohr
22 fließt, mittels einer zeitlichen Änderung ṗ
sr des Drucks p
sr in dem Saugrohr
22, also der zeitlichen Ableitung des Drucks. Dabei bezeichnet V
sr ein Volumen des Saugrohrs
22, R die spezifische Gaskonstante und T
sr die aktuelle Temperatur im Saugrohr
22. Die Gasfüllung bzw. die Gasmasse m
zyl,in für den Zylinder
14 lässt sich aus
berechnen, wobei der Faktor k
ms = k
ms(N
zyl, n
mot) von der Zylinderanzahl N
zyl, des Zylindervolumens und der aktuellen Motordrehzahl n
mot abhängt und eine Umrechnung von der Gasfüllung m
zyl,in in den Gasmassenstrom ṁ
zyl,in angibt.
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Die zeitliche Änderung des Drucks, der im Saugrohr
22 herrscht, lässt sich aus der idealen Gasgleichung für den Zylinderraum, d. h. aus der Gasfüllung m
zyl, die in den Zylinder
14 einströmt bzw. zur Verbrennung eingeschlossen ist, und dem Druck im Saugrohr
22, zu
herleiten. Folglich ergibt sich der Massenstrom
ṁ soll / dr über die Drosselklappe
34 unter Berücksichtigung beider zuletzt genannten Gleichungen zu
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Dabei bezeichnet ηVOL den Liefergrad, der unter anderem durch die Nockenwellenverstellung der Nockenwelle gegeben ist. Die Ableitung kann beispielsweise digital berechnet werden, indem für den Liefergrad ηVOL und die Gasmasse m soll / zyl,in ein Vergleich zwischen einer Differenz eines aktuellen Werts und eines früheren Werts und einer Zeitdifferenz, gemessen zwischen beiden Werten, berechnet wird.
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Die Einheit 54 ist dazu eingerichtet, das Gasmassenstrom über die Drosselklappe unter Verwendung der zuvor genannten Gleichung zu berechnen. Alle Parameter der Formel sind als Systemwerte vorgeben bzw. aus der aktuellen Betriebssituation des Verbrennungsmotors 10 bekannt. Die Sollgasfüllung m soll / zyl,in für den Zylinder 14 gibt den Fahrerwunschbedarf an gewünschtem Drehmoment an und kann aus einer Pedalstellung eines Pedals, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, ermittelt werden. Die Temperatur Tsr kann entweder als vom Sensor 42 gemessene Größe zugeführt werden oder mittels eines Temperaturmodels von der Einheit 54 berechnet werden. Der Liefergrad kann aus einer Einlasserhebungskurve der Nockenwelle ermittelt werden. Die Einheit 56 wandelt den Gasmassenstrom ṁ soll / dr in eine Winkelposition der Drosselklappe 34 um.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 wird ein Verfahren zum Steuern der Position der Drosselklappe 34 in dem Saugrohr 22 mittels der Drosselklappensteuerungsvorrichtung 50 und optional der Regelvorrichtung 52 ausgeführt. In einem optionalen, ersten Verfahrensschritt S2 wird die Temperatur Tsr in dem Saugrohr 22 mittels des Sensors 42 gemessen und der Einheit 54 zum Ermitteln des gewünschten Gasmassenstroms 54 zugeführt. In einem optionalen Verfahrensschritt S4, der ebenfalls von der Einheit 54 ausgeführt wird, wird ermittelt, ob eine hohe Gasdynamik des Gases in dem Saugrohr 22 angefordert wird. Dazu wird beispielsweise ein Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 10, wie beispielweise ein Sportmodus, als Abfragekriterium der Ermittlung zu Grunde gelegt. Ist dies der Fall, wird in einem Verfahrensschritt S6, das ebenfalls von der Einheit 54 ausgeführt wird, der gewünschte Gasmassenstrom ṁ soll / dr unter Berücksichtigung der Gasdynamik in dem Saugrohr mittels der zu letzt genannten Gleichung berechnet. Die Temperatur Tsr kann entweder der mittels des Sensors 42 gemessene Wert sein oder mittels des Temperaturmodells modelliert werden. Ein Ausgabesignal der Einheit 54 gibt den Gasmassenstrom ṁ soll / dr über die Drosselklappe 34 an und wird der Einheit 56 zugeführt, das den Gasmassenstrom ṁ soll / dr in ein Steuersignal für den Aktuator 36 in Form einer Winkelposition für die Drosselklappe 34 in einem Verfahrensschritt S8 umsetzt. In einem Verfahrensschritt S10 erfolgt eine Steuerung der Position der Drosselklappe 34. Dazu kann das Ausgabesignal der Einheit 56 der Regelvorrichtung 52 zugeführt werden, die die Steuerung der Position, also die Winkelstellung, der Drosselklappe 34, unter Verwendung der Regelvorrichtung 52 durchführt. In dieser Ausführungsform regelt die Regelvorrichtung 52 die Position der Drosselklappe 34 indem die Regelvorrichtung 52 die mittels des Sensors 44 gemessene Istwinkelposition der Drosselklappe 34 mit dem zugeführten Steuersignal vergleicht, daraus ein modifiziertes Steuersignal erzeugt, das eine Stellgröße für die Position der Drosselklappe 36 darstellt, und dieses Signal dem Aktuator 36 zuführt. Der Aktuator 36 wird mit dem, insbesondere modifizierten, Steuersignal beaufschlagt und stellt die Position der Drosselklappe gemäß dem empfangenen Signal ein.
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Wenn in dem Verfahrensschritt S4 ermittelt wird, dass keine hohe Gasdynamik des Gases in dem Saugrohr 22 angefordert ist, wird in einem optionalen Verfahrensschritt S12 mittels der Einheit 54 der gewünschte bzw. Sollgasmassenstrom ṁ soll / dr über die Drosselklappe 34 unter Verwendung der zuletzt genannten Gleichung mit der Druckänderung ṗsr = 0 berechnet oder, mit anderen Worten, wird lediglich die gewünschte Gasfüllung m soll / zyl,in des Gases für den Zylinder 14 berücksichtigt. Im Anschluss daran werden die Verfahrensschritte S8 und S10 ausgeführt.
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Der Verfahrensschritt S2 kann zwischen den Verfahrensschritten S4 und S6 durchgeführt werden.
