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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine.
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Neuere Brennkraftmaschinen sind mit
einem Abgasnachbehandlungssystem ausgestattet. Hierbei handelt es
sich bevorzugt um einen sogenannten Stickoxydspeicherkatalysator,
der das im Normalbetrieb auftretenden Stickoxyd sammelt und in einer Regenerationsphase
in unschädliche
Bestandteile konvertiert. Ferner kann das Abgasnachbehandlungssystem
ein sogenannten Partikelfilter umfassen, der ebenfalls in bestimmten
Zeiträumen
regeneriert wird.
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Zur Regeneration wird die Brennkraftmaschine üblicherweise
im Fettbetrieb betrieben. Bei diesem Betriebszustand bestimmt der
Luftdurchsatz maßgeblich
das Drehmoment, deshalb spricht man hier von einem luftgeführten System.
Direkt einspritzende Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen,
arbeiten im Magerbetrieb, in diesem Fall hat die Änderung
der Einspritzmenge eine direkte Änderung
des Motormoments zur Folge. Dieses Verhalten wird als kraftstoffgeführtes System bezeichnet.
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Üblicherweise
wird in der Steuereinheit eine Drehmomentanforderung in eine Einspritzmenge umgerechnet.
Dies erfolgt vor dem Hintergrund, dass eine Momentenschnittstelle
vorgesehen ist, über
die die Motorsteuereinheit mit anderen Steuereinheiten kommunizieren,
wie beispielsweise einer Getriebesteuereinheit, einer Steuereinheit
die die Bremsekraft beeinflusst und/oder anderen Steuereinheiten. Üblicherweise
tauschen diese Steuereinheiten Drehmomentsignale aus. Deshalb ist
vorgesehen, dass entsprechende Größen im Steuergerät als Drehmomentanforderung
bereitgestellt werden. Insbesondere gilt dies auch für den Fahrerwunsch,
der vorzugsweise von einem Fahrpedal bereit gestellt wird.
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Üblicherweise
wird bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, insbesondere
Dieselbrennkraftmaschinen, im Magerbetrieb über ein Kennfeld abhängig von
wenigstens der Drehzahl und dem Drehmoment die entsprechende Kraftstoffmenge vorgegeben.
Bei Benzinbrennkraftmaschinen wird ausgehend von dem Drehmoment
ein Luftdurchsatz berechnet.
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Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine hängt im Fettbetrieb
wesentlich vom Lambdawert ab. Dies bedeutet, dass der Lambdawert
auch bei der Regeneration und in den Übergangsphasen in und/oder
aus der Regeneration möglichst
genau eingehalten wird. Dies bedeutet, dass das Verhältnis zwischen
der Luftmenge und der Kraftstoffmenge, die in den Brennraum gelangt,
muss möglichst
präzise
ermittelt und eingestellt werden. Problematisch ist, dass im Fettbetrieb
der Kraftstoff nicht vollständig verbrannt
wird.
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Über
die Abgasrückführung gelangt
dann unverbrannter Kraftstoff erneut in den Brennraum. Um eine genaue
Steuerung erzielen zu können,
muss diese rückgeführte Kraftstoffmenge
ermittelt werden.
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Dadurch, dass insbesondere im Fettbetrieb eine
rückgeführte Kraftstoffmenge
ermittelt, ist eine wesentlich genauere Steuerung der Brennkraftmaschine
möglich.
Die Ermittlung der rückgeführten Kraftstoffmenge
erfolgt dabei vorzugsweise im Fettbetrieb. Ferner ist die Bestimmung
der rückgeführten Kraftstoffmenge
auch beim Übergang
vom Magerbetrieb in den Fettbetrieb und/oder beim Übergang
vom Fettbetrieb in den Magerbetrieb vorteilhaft.
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Durch die Bestimmung der rückgeführten Kraftstoffmenge
kann der in der Brennkraftmaschine vorliegende Lambdawert genauer
bestimmt werden. Dadurch wird die Steuerung der Brennkraftmaschine, insbesondere
während
der Regenration eines Abgasnachbehandlungssystems deutlich verbessert. Ferner
ist eine genauerer Bestimmung der verschiedenen Größen im Steuergerät, wie beispielsweise der
eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder verschiedener Momentengrößen möglich.
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Ferner wird die Applikation des Steuergeräts, insbesondere
für den
Fettbetrieb, deutlich erleichtert, da die Abgasrückführung unmittelbar im Steuergerät berücksichtigt
wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die rückgeführte Kraftstoffmenge
zur Bestimmung eines Lambdawerts verwendet wird. Vorzugsweise wird
dabei der Lambdawert ausgehend von von einer Luftmenge, der eingespritzten
Kraftstoffmenge und der nicht verbrannten rückgeführten Kraftstoffmenge bestimmt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn ausgehend von
einem Wunschmoment und dem Lambdawert ein Wirkungsgrad bestimmt
wird.
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Bevorzugt wird die rückgeführte Kraftstoffmenge
ausgehend von einer unverbrannten Kraftstoffmenge bestimmt. Hierzu
wird davon ausgegangen dass das Verhältnis zwischen der rückgeführten Luftmenge
und der gesamten Luftmenge dem Verhältnis zwischen der unverbrannten
rückgeführten Kraftstoffmenge
und der unverbrannten Kraftstoffenge entspricht.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn die
unverbrannte Kraftstoffmenge ausgehend von einer Größe vorgebbar
ist, die den Sauerstoffdurchsatz an den Motoreinlassventilen charakterisiert.
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Als weitere oder alternative Größe, ausgehend
von denen die unverbrannte Kraftstoffmenge bestimmt wird, dient
eine Größe, die
eingespritzte Kraftstoffmenge charakterisiert. Dabei werden bevorzugt
die Kraftstoffmengen der Haupteinspritzung und/oder der Nacheinspritzung
berücksichtigt.
Als wesentliche Größe ist die
Kraftstoffmenge einer Nacheinspritzung zu berücksichtigen, die deutlich nach
der Haupteinspritzung erfolgt.
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Die Erfindung wird nachstehend der
einer Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. 1 zeigt im wesentlichen
Elemente einer Steuereinheit zur Steuerung einer Brennkraftmaschine. 2 zeigt die wesentlichen
Elemente einer Umrechnung einer Momentengröße in eine Kraftstoffmenge,
die 3a und b zeigen die Verknüpfung einer ersten Kraftstoffmenge
die im Fettbetrieb und einer zweiten Kraftstoffmenge die im Magerbetrieb
gültig
ist, die 4a zeigt die
Berechnung der vollen Luftmenge, die
5 zeigt
die Vorgabe der Kraftstoffmengen für die einzelnen Teileinspritzungen
ausgehend von verschiedenen Größen, die 4b zeigt die Berechnung
eines berechneten Lambda-Wertes, die 6 zeigt
die Berechnung der rückgeführten Kraftstoffmenge
und in 7 sind verschiedene
Signale über
Zeit aufgetragen.
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In 1 sind
die wesentlichen Elemente einer Steuerung einer Brennkraftmaschine
dargestellt. Eine Steuereinheit 100 wird mit Signalen verschiedener
Sensoren beaufschlagt. Dies ist unter anderem ein Drehzahlsensor 110,
der ein Drehzahlsignal N bereitstellt, eine Momentenvorgabe 120 gibt
ein Momentenwunsch M vor. Hierbei handelt es sich bei der einfachsten
Ausgestaltung um einen Fahrpedalstellungsgeber. Besondere vorteilhafte
Ausgestaltungen könnte
sich hierbei um eine Schnittstelle mit weiteren Steuereinheiten
handeln. Des weiteren ist ein Luftmengenmesser 130 vorgesehen,
der eine gemessene Luftmenge MAIR vorgibt. Neben diesen Sensoren können auch
weitere Sensoren vorgesehen sein, wie beispielsweise eine Lambdasonde,
die ein Lambdasignal L bereitstellt.
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Ausgehend von diesen Signalen berechnet die
Steuereinheit 100 an Steuersignale A1 für einen Mengensteller 140 und/oder
Ansteuersignale A2 für einen
Luftsteller 150. Bei dem Mengensteller handelt es sich
bevorzugt um ein Ventil insbesondere ein elektromagnetisches oder
um ein Ventil mit einem Piezoaktor. Solche Ventile werden üblicherweise
als Injektoren bezeichnet. Bei dem Luftsteller handelt es sich bevorzugt
um eine Drosselklappe oder ein Stellelement mit dem die Abgasrückführhalte
bestimmt werden kann.
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Das erste Signal A1 wird von einer
ersten Endstufe 145 ausgehend von einem Kraftstoffmengensignal
Q und das zweite Signal A2 von einer zweiten Endstufe 155 ausgehend
von einer Sollluftmenge MAIRS bestimmt. Die Kraftstoffmenge Q und
die Sollluftmenge MAIRS werden von einer Auswerteschaltung 160 ausgehend
von den Eingangsgrößen bestimmt.
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Ein wesentlichen Teil dieser Auswerteschaltung 160 ist
in 2 detaillierter dargestellt.
Bereits in 1 beschriebene
Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Zusätzlich wird ein
Signal LB von einem Block 600 bereitgestellt. Bei der Größe LB handelt
sich um den ausgehend von anderen Betriebskenngrößen berechneten Lambdawert
LB des Abgases.
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Das Drehzahlsignal N und der Momentenwunsch
M gelangen zu einem ersten Kennfeld 210 und einem zweiten
Kennfeld 220. Die Ausgangsgröße QM des ersten Kennfeldes,
die auch als erste Kraftstoffmenge oder als Magermenge bezeichnet wird,
gelangt zu einer ersten Rampe 240. Das Ausgangssignal des
zweiten Kennfeldes 220 gelangt über einen Verknüpfungspunkt 235,
an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal des dritten Kennfeldes 230 anliegt,
als zweite Kraftstoffmenge QF, die auch als Fettmenge bezeichnet
wird, zu einer zweiten Rampe 250 und zu einem Verknüpfungspunkt 260.
Am ersten Eingang des dritten Kennfeldes 230 liegt das
Ausgangssignal LB des Blockes 600 und das Drehzahlsignal
N an. Mit dem Ausgangssignal der zweiten Rampe 250 QFR
wird der zweite Eingang der ersten Rampe 240 beaufschlagt.
Die zweite Rampe 240 gibt als Ausgangssignal die Kraftstoffmenge
Q an die erste Endstufe 145 ab. Am zweiten Eingang des
Verknüpfungspunktes 260 liegt
das Wunschmoment M an, mit dem Ausgangssignal W, das auch als Wirkungsgrad
bezeichnet wird, des Verknüpfungspunktes 260 wird
der Block 500 beaufschlagt.
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In dem ersten Kennfeld 210 ist
abhängig
vom Momentenwunsch M und der Drehzahl N die erste Kraftstoffmenge
QM abgelegt. Diese erste Kraftstoffmenge bestimmmt im Magerbetrieb
die eingespritzte Kraftstoffmenge. In einem zweiten Kennfeld 220 wird die
zweite Kraftstoffmenge QF abgelegt, die die einzuspritzende Kraftstoffmenge
QF im Fettbetrieb bestimmt. Zur Bildung der zweiten Kraftstoffmenge
wird das Ausgangssignal des zweiten Kennfeldes 220 im Verknüpfungspunkt 235 vorzugsweise
Multiplikativ mit einem Korrekturwert korrigiert. Diesen Korrekturwert
gibt dritte Kennfeld ausgehend von dem berechneten Lambdawert LB
und der Drehzahl N vor.
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Die erste Kraftstoffmenge QM gelangt
zu der ersten Rampe und die zweite Kraftstoffmenge QF gelang zu
der zweiten Rampe 250. Das Ausgangssignal der zweiten Rampe
QFR gelangt ebenfalls zur ersten Rampe 240. Von diesen
Rampen werden über
zeitabhängig
geformte Rampenfunktionen die erste Kraftstoffmenge QM und die zweite
Kraftstoffmenge QF gemischt. Das Ergebnis dieser Mischung wird als Kraftstoffmenge
Q ausgegeben. Die Rampenfunktionen verlaufen dabei gegenläufig. Die
Summe der Rampenfunktionen ist immer gleich eins. Die Mischung erfolgt
lediglich bei Übergang
vom Fett- in den Magerbetrieb bzw. beim Übergang vom Mager- in den Fettbetrieb.
Im Fettbetrieb wird bestimmt lediglich die erste Kraftstoffmenge
QF die einzuspritzende Kraftstoffmenge Q. Im Magerbetrieb wird bestimmt lediglich
die zweite Kraftstoffmenge QM die einzuspritzende Kraftstoffmenge
Q.
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Ferner ist kann vorgesehen sein,
dass unterschiedliche Rampenfunktionen beim Übergang vom Fettbetrieb in
den Magerbetrieb und beim Übergang vom
Magerbetrieb in den Fettbetrieb vorgegeben werden. Die beiden Rampen
sind detaillierter in 4 dargestellt.
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Ausgehend von der Wunschmenge M und der
Fettmenge QF wird durch Division im Verknüpfungspunkt 260 der
Wirkungsgrad W der Kraftstoffeinspritzung im Fettbetrieb bestimmt.
Dieser Fettwirkungsgrad W wird dazu verwendet, um ausgehend von
dem Lambdasollwert und dem Drehmoment den Luftmassesollwert im Fettbetrieb
zu berechnen.
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Bei einer Brennkraftmaschine, die
in einem Magerbetrieb und in einem Fettbetrieb betreibbar ist, ist
eine erste Kraftstoffmenge QM und eine zweite Kraftstoffmenge QF
ausgehend von wenigstens der Drehzahl und einem Wunschmoment vorgebbar.
Dabei wird bei der zweiten Kraftstoffmenge QF zusätzlich ein
Lambdawert LB berücksichtigt.
Die erste Krafstoffmenge QM bestimmt insbesondere die im Magerbetrieb
eingespritzte Kraftstoffmenge, die zweite Kraftstoffmenge QF bestimmt
insbesondere im Fettbetrieb die Kraftstoffmenge. Lediglich im Übergangsbereich
zwischen Mager- und Fettbetrieb bestimmen beiden Kraftstoffmengen
gemeinsam die einzuspritzende Kraftstoffmenge Q. Der Lambdawert wird
vorzugsweise ausgehend von anderen Größen berechnet. Dabei ist vorgesehen,
dass sowohl die erste Kraftstoffmenge als auch die zweite Kraftstoffmenge
in jeweils einem Kennfeld abhängig
von den gleichen Größen abgelegt
sind. Bei der Bestimmung der zweiten Kraftstoffmenge wird zusätzlich ein Lambdawert
LB berücksichtigt.
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3a ist
die zweite Rampe 250 und in 3b die
erste Rampe 240 detailliert dargestellt. Bereits in früheren Figuren
beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Das
Ausgangssignal QF des Verknüpfungspunktes 235 gelangt
zu einem Verknüpfungspunkt 300 an dessen
zweiten Eingang des Ausgangssignals QU eines Blockes 600 anliegt.
Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 300 gelangt
zu einer minimalen Auswal 310 und von dort über einen
Verknüpfungspunkt 320 als
Größe QFR zu
der zweiten Rampe 240. Am zweiten Eingang der Minimalauswahl 310 liegt
das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 330,
der das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 300 mit
dem Ausgangssignal MAX2 der Grenzwertvorgabe 335 verknüpft. Am
zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 320 liegt
das Ausgangssignal R2 einer zweiten Rampenvorgabe 325.
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Bei dem Signal QU handelt es sich
um die nicht verbrannte Kraftstoffmenge, die vorzugsweise ausgehend
von anderen Größen berechnet
wird. Bei der Größe R2 handelt
sich um eine vorgebbare Funktion, die im Magerbetrieb den Wert 0
und im Fettbetrieb den Wert 1 annimmt. Während des Übergangs vom Fettbetrieb in
den Magerbetrieb bzw. vom Magerbetrieb in den Fettbetrieb nimmt
die Größe R2 Werte
zwischen den Werten 0 und 1.
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Die Minimalauswahl 310,
der Verknüpfungspunkt 330 und
die Maximalwertvorgabe 335 stellt eine besonders vorteilhafte
Ausgestaltung dar, die bei einer vereinfachten Ausführungsform
weggelassen werden kann. In diesem Fall gelangt das Ausgangssignal
des Verknüpfungspunktes 300 unmittelbar
zum Eingang des Verknüpfungspunktes 320.
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Die erste Rampe 240 ist
in 3b dargestellt. Hier
gelangt das Ausgangssignal QM des ersten Kennfeldes 210 zu
einem Verknüpfungspunkte 350 und
zu einem Verknüpfungspunkt 375.
Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 350 liegt
das Ausgangssignal R1 einer ersten Rampevorgabe 355. Mit
dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 350 wird
der Verknüpfungspunkt 360 beaufschlagt, an
dessen zweiten Eingang des Ausgangssignals QFR der zweiten Rampe 250 anliegt.
Mit dem Ausgang des Verknüpfungspunktes 360 wird
eine maximal Auswahl 370 beaufschlagt, an dessen Ausgang das
Signal Q anliegt, dass dem Ausgangssignal der ersten Rampe 240 entspricht.
Am zweiten Eingang der maximal Auswahl 370 liegt das Ausgangssignal eines
Verknüpfungspunktes 375,
der das Signal QM mit dem Ausgang MAX1 einer zweiten Sollwertvorgabe 380 verknüpft. Die
Blöcke 380, 375 und 370 stellen
wiederum eine bevorzugte Ausführungsform
dar, die bei einer vereinfachten Ausführung weggelassen werden können.
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Bei der Größe R1 handelt sich um eine
vorgebbare Funktion, die im Magerbetrieb den Wert 1 und im Fettbetrieb
den Wert 0 annimmt. Während des Übergangs
vom Fettbetrieb in den Magerbetrieb bzw. vom Magerbetrieb in den
Fettbetrieb nimmt die Größe R1 Werte
zwischen dem Werten 0 und 1. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Summe aus den Werten R1 und R2 den Wert 1 annehmen. Vorzugsweise
ist vorgesehen, die Funktionen R1 und R2 in Abhängigkeit von der Zeit den Übergang
von Fettbetrieb in Magerbetrieb und den Übergang vom Magerbetrieb in
den Fettbetrieb beschreiben. Wobei die Funktionen für den Übergang
von Fettbetrieb in den Magerbetrieb und den Übergang vom Magerbetrieb in
den Fettbetrieb unterschiedlich sein können.
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Erfindungsgemäß wird die Fettmenge QF um
die rückgeführte unverbrannte
Kraftstoffmenge QU reduziert und dieser Wert mit dem Rampenwert R2
multipliziert. Entsprechend wird die Magermenge QM mit dem Rampenwert
R1 multipliziert und zu diesem Wert die korrigierte Fettmenge QFR
hinzu addiert. Dadurch wird der gewünschte Übergang zwischen Fettbetrieb
und Magerbetrieb erreicht.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung
werden die Werte MAX1 und MAX2 im Übergang so gesetzt, dass die
Einspritzmengen Q auf die Stationärmenge oder auf die Zielmenge
begrenzt wird. Dadurch sollen Sprünge, die im Drehmoment auftreten
können
reduziert werden, die im Übergang
zwischen Fettbetrieb und Magerbetrieb oder Magerbetrieb und Fettbetrieb entstehen
können.
Außerhalb
der Übergangsphasen erfolgt
keine Begrenzung.
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In 4a ist
die Berechnung des Sollwerts MAIRS für Luftmenge, die von der Endstufe 155 in ein
Ansteuersignal A2 für
einen Luftsteller 150 umgesetzt wird, dargestellt. Bereits
in früheren
Figuren beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen
bezeichnet. Das Ausgangssignal W des Verknüpfungspunktes 260,
dass den Wirkungsgrad der Verbrennung im Fettbetrieb angibt, gelangt
zu dem Verknüpfungspunkt 400.
Dort wird es mit dem Ausgangssignal MV einer Momentenvorgabe 405 verknüpft. Bei
dem Signal MV handelt es sich um eine Momentengröße, die das dynamische Verhalten der
Brennkraftmaschine insbesondere des Luftsystems berücksichtigt.
Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 400 gelangt
zu einem Verknüpfungspunkt 410,
an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignals eines weiteren Verknüpfungspunktes 420 anliegt.
Dem Verknüpfungspunkt 420 werden das
Signal LFS einer Lambdasollwertvorgabe 425 und das Signal
R eines Blockes 422 zugeführt. Das Signal R entspricht
dem stöchiometrischen
Verhältnis
und nimmt den Wert von ca. 14,5 an. Das Ausgangssignal MAIRF des
Verknüpfungspunktes 410, dass
der Luftmenge im Fettbetrieb entspricht, gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 430 an
dem zusätzlich
das Ausgangssignal R2 des Blockes 325 anliegt. Mit dem
Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 430 wird
der Verknüpfungspunkt 435 beaufschlagt,
der wiederum die Endstufe 155 mit einem Sollwert MAIRS
der Luftmenge beaufschlagt. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 435 liegt das
Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 440 an,
an dessen ersten Eingang das Ausgangssignal R1 des Blockes 355 und
an dessen zweiten Eingang das Signal MAIRM anliegt, dass von einer
Luftmengensollwertvorgabe 445 bereitgestellt wird.
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Die Lambdasollwertvorgabe 425,
die Momentenvorgabe 405 und die Luftsollwertvorgabe 445 sind
Teile der Steuerung 160 und bestimmen diese Größen ausgehend
von anderen Größen. Diese
Größen werden
für andere
Steuerungen benötigt.
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Die Lambdasollwertvorgabe 425 gibt
einen Sollwert LFS für
das Lambdasignal vor, der im Fettbetrieb erforderlich ist, um beispielsweise
das Abgasnachbehandlungssystem zu regenerieren. Durch Division der
Momentengröße MV und
des Wirkungsgrad W der Fettverbrennung im Verknüpfungspunkt 400 ergibt
sich die Kraftstoffmenge, die erforderlich ist, um dieses Moment
MV bereitzustellen. Durch Multiplikation dieser Kraftstoffmenge
im Verknüpfungspunkt 410 mit
dem Lambdasollwert LFS und der Konstante R im Verknüpfungspunkt 420,
ergibt sich die im Fettbetrieb erforderliche Luftmenge MAIRF.
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Bei dem Momentenwunsch MV handelt
sich um eine Größe, die
ausgehend von Momentenwunsch M gebildet wird, wobei die Laufzeiten
im Luftsystem berücksichtigt
werden.
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Die Luftmengensollwertvorgabe 445 gibt ausgehend
von verschiedenen Betriebskenngrößen die
Luftmengen MAIRM vor, die im Magerbetrieb erforderlich ist, um eine
optimale Verbrennung zu gewährleisten.
Im Fettbetrieb wird die Größe MAIRF
als Sollwert MAIRS verwendet, im Magerbetrieb wird die Größe MAIRM
als Sollwert MAIRS verwendet. Dies wird dadurch erreicht, dass in
dem Verknüpfungspunkt 440 der
Luftmengensollwert für
den Magerbetrieb MAIRM mit der Größe R1 und in dem Verknüpfungspunkt 430 der
Luftmengensollwert MAIRF für den
Fettbetrieb mit der Größe R2 multiplikativ
verknüpft
werden. Dabei entsprechen die Größen R1 und
R2 den in den 3a und b verwendeten Größen R1 und R2, die zur Umschaltung
der Kraftstoffmenge vom Fettbetrieb zum Magerbetrieb verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird ausgehend von dem Fettwirkungsgrad
W, der in 2 ausgehend
von dem Wunschmoment M und der Fettmenge QF berechnet wurde, und
dem Lambdasollwert LFS, der im Fettbetrieb gewünscht wird, und dem Drehmoment MV
der Luftmassensollwert MAIRF im Fettbetrieb für das Luftsystem berechnet.
Ausgehend von diesem Wert MAIRF und dem Luftmengenwert MAIRM, der im
Magerbetrieb erforderlich ist, wird abhängig von der Betriebsart der
entsprechende Wert ausgewählt. Während des Übergangs
zwischen den Betriebsarten wird über
Rampenfunktionen der Sollwert MAIRS für die Luftmenge berechnet,
der an das Luftsystem, d. h. an die zweite Endstufe 155 übergeben
wird. Hierzu werden die selben Rampenfunktionen, wie bei der Kraftstoffmenge
verwendet.
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Das Luftsystem regelt diesen Luftstrom
dann mit einer Zeitverzögerung
ein. Das Drehmoment MV entstammt dem sogenannten Vorhaltepfad. Es
handelt sich hier um eine korrigierte Momentengröße die die Dynamik des Luftsystems
berücksichtigt.
Das heißt
diese Momentengröße MV weist
eine zeitliche Vorsprung gegenüber
dem Momentenwunsch M auf. Wobei der zeitliche Vorsprung die zeitliche
Verzögerung
des Luftsystems kompensieren soll.
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In 4b ist
eine vorteilhafte Ausführungsform
der Ermittlung des berechneten Lambdawerts LB detaillierter dargestellt.
Bei einer alternativen Ausführungsform
kann dieser Lambdawert auch mittels eines geeigneten Sensors gemessen
werden oder mittels eines anderen Verfahrens berechnet werden.
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Bereits in früheren Figuren beschriebene Elemente
sind im entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Kraftstoffmenge
Q, die dem Ausgangssignal der Rampe 240 entspricht, und
die rückgeführte unverbrannte
Kraftstoffmenge QU gelangen zu einem Verknüpfungspunkt 450. Dessen
Ausgangssignal gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 460, an
dessen zweiten Eingang der Größe R anliegt. Mit
dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 460 wird
ein Verknüpfungspunkt 470 beaufschlagt, an
dessen zweiten Eingang das Signal MAIR, dass der gemäß mit dem
Sensor 130 gemessenen Luftmenge entspricht. Das Ausgangssignal
des Verknüpfungspunktes 470 entspricht
den berechneten Lambdawert LB, der beispielsweise zur weiteren Verarbeitung
dem dritten Kennfeld 230 zugeführt wird.
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Der berechnete Lambdawert LB ergibt
sich aus der Summe der eingespritzten Kraftstoffmenge Q, das dem
Ausgangssignal der ersten Rampe entspricht, und der rückgeführten unverbrannten
Kraftstoffmenge QU. Diese Summe wird mit der Konstante R multipliziert
und durch die Luftmenge MAIR dividiert.
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Dieser berechnete Lambdawert LB entspricht
dem Lambdawert der Luft, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Um eine optimale Regeneration des
Abgasnachbehandlungssystems gewährleisten
zu können, muss
im Fettbetrieb der Lambdasollwert LFS möglichst genau eingehalten werden.
D. h. die Kraftstoffmenge und die Luftmenge müssen immer im gleichen Verhältnis zu
einander stehen. Das Kraftstoffsystem kann Änderungen der Einspritzmenge
von einer Einspritzung zu nächsten
vornehmen. Bedingt durch große
Füllvolumen
und Gaslaufzeiten ist das Luftsystem wesentlich träger. Erfindungsgemäß ist deshalb
vorgesehen, dass das Kraftstoffsystem den langsamen Verhalten des
Luftsystems angepasst wird.
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In 5 ist
eine entsprechende Regelstruktur anhand eines Blockdiagramms dargestellt.
Bereits in früheren
Figuren beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen
bezeichnet. Die Luftmenge MAIR gelangt über einen Verknüpfungspunkt 500 zu
einem weiteren Verknüpfungspunkt 510 und
von dort zu einem Verknüpfungspunkt 520.
Am Verknüpfungspunkt 500 liegt
zusätzlich
die Konstante R an. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 510 liegt
der Sollwert LFS für
das Lambdasignal im Fettbetrieb an, das dem Ausgangssignal der Lambdasollwertvorgabe 425 entspricht.
Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 520 liegt
die Fettmenge QF an, die dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 235 entspricht.
Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 520 gelangt über den
Verknüpfungspunkt 530 zu
den Verknüpfungspunkt 550 und
von dort zu den Verknüpfungspunkt 555.
Im Verknüpfungspunkt 530 wird
dieses Signal mit den Rampenfaktor R2 verknüpft. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 550 liegt
der Verteilfaktor V an, der von einem Kennfeld 540 ausgehend
von den Eingangsgrößen QF und
der Drehzahl der Brennkraftmaschine vorgegeben wird. Am Ausgang
des Verknüpfungspunktes 550 liegt
die Kraftstoffmenge QNE2 an, die bei der Nacheinspritzung zugemessen wird.
Mit diesem Signal wird die Endstufe 145 und der Verknüpfungspunkt 555 beaufschlagt.
Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 555 entspricht
der Kraftstoffmenge QHE, die bei der Haupteinspritzung eingespritzt
wird, und gelangt zur Entstufe 145.
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Ausgehend von der gemessenen Luftmenge MAIR,
der Konstante R und dem Lambdasollwert LFS ergibt sich durch die
Division die Kraftstoffmenge, die eingespritzt werden muss, um den
Lambdasollwert LFS zu erzielen. Diese Kraftstoffmenge wird im Verknüpfungspunkt 520 um
die Fettmenge QF reduziert. Anschließend wird sie im Verknüpfungspunkt 530 mit
dem Rampenfaktor gewichtet, der im Fettbetrieb 1 und im
Magerbetrieb 0 ist.
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Abhängig von dem Verteilfaktor
V wird diese Zusatzmenge der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung
zugeschlagen. Der Verteilfaktor V, abhängig von dem diese Zusatzmenge
auf die Haupt- und die Nacheinspritzung verteilt wird, ist wiederum abhängig von
der Fettmenge QF und der Drehzahl N.
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Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass aus
der gemessenen Luftmenge MAIR, dem stöchiometrischen Verhältnis R
und dem Lambdasollwert LFS die momentan zulässige Einspritzmenge ermittelt
wird. Hiervon wird die aktuelle Fettmenge QF subtrahiert und somit
eine Korrekturmenge QK berechnet. Das vom Motor abgegebenen Moment
bei konstantem Lambdawert kann sich durch diese Korrektur nur mit
dem Luftdurchsatz ändern.
Die Rampe R2 gewährleisteten
Durchgriff während
des Übergangs
der Betriebsarten und im reinen Fettbetrieb. Die Korrekturmenge
wird über
eine Drehzahl und Fettmenge abhängiges
Kennfeld 540 zwischen der Haupteinspritzmenge und der Drehmomentbildenen Nacheinspritzung
aufgeteilt. Diese Aufteilung ist erforderlich, damit die Korrektur
nicht nur auf die Haupteinspritzung wirkt, die bei großen Kraftstoffmengen bei
der Nacheinspritzung zu stark reduziert würde.
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Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, dass
der Lambda-Wert sehr genau eingehalten wird. Erfindungsgemäß wird aus
der aktuellen Luftmenge MAIR und dem Lambdasollwert für die Fettverbrennung
LFS die notwendige Kraftstoffmenge berechnet. Diese unterscheidet
sich im instationären
Betrieb von der Menge im stationären
Betrieb. Dies wird im wesentlichen durch die zeitverzögerte Dynamik
des Luftsystems verursacht. Dies bedeutet, es dauert eine gewisse
Zeit, bis das Luftsystem den neuen Sollwert MAIRS eingeregelt hat.
Mittels der Korrekturmenge QK werden diese Effekte kompensiert.
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Problematisch für die genaue Einstellung des
Verhältnisses
zwischen Einspritzmenge und Luftmenge ist es, dass bei Systemen
mit einer Abgasrückführung im
Fettbetrieb für
die Abgasrückführung unverbrannte
Kohlenwasserstoffe wieder den Brennraum zugeführt werden. Diese wirken wie
eine zusätzlich
eingespritzte Kraftstoffmenge. Ferner gelangen im Magerbetrieb Restsauerstoff über die
Abgasrückführung wieder
in die Brennräume.
Während des Übergangs
vom Fett- in den Magerbetrieb, das heißt beim Übergang von unverbrannten Sauerstoff auf
unverbrannten Kraftstoff, und im Fettbetrieb ist daher die Berücksichtigung
des unverbrannten Kohlenwasserstoffes wichtig. Durch die Berücksichtigung der
rückgeführten Kohlenwasserstoffe
ist eine wesentlich genauere Bestimmung des Lambdawertes im Brennraum
möglich.
Dadurch kann die Regeneration des Abgasnachbehandlungssystems wesentlich genauer
gesteuert werden. Ferner ist eine bessere Umschaltung zwischen Magerbetrieb
und Fettbetrieb bzw. zwischen Fett- und Magerbetrieb möglich.
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In 6 ist
eine vorteilhafte Berechnung der rückgeführten unverbrannten Kohlenwasserstoffmenge
QU dargestellt. Die rückgeführte unverbrannte
Kohlenswasserstoffmenge QU kann auch in anderer Weise bestimmt werden.
Bereits in früheren
Figuren beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen
bezeichnet. Ein Model 640 berechnet ausgehend von verschiedenen
erfassten Betriebskenngrößen verschiedene
Luftmengen, die in einer Kraftmaschine auftreten. Diese entsprechende
Signale werden zum einen einer Berechnung 615 zugeführt. Diese
beaufschlagt wiederum ein Verknüpfungspunkt 610 an
dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal Q der ersten Rampe 240 anliegt.
Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 610 wird
ein Verknüpfungspunkt 620 beaufschlagt,
an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal eines Kennfeldes 625 anliegt.
Am Eingang des Kennfeldes 625 liegt insbesondere das Ausgangssignal
N des Drehzahlsensors an. Mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 620 wird
ein Verknüpfungspunkt 630 beaufschlagt,
an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 632 liegt.
Der Verknüpfungspunkt 632 wird
mit dem Ausgangssignal eines weiteren Kennfeldes 634 dem ebenfalls
als Drehzahlsignal N zugeleitet wird und dem Ausgangssignal QNE1
einer Mengenvorgabe 636 beaufschlagt. Das Ausgangssignal
des Verknüpfungspunktes 630 gelangt
zu einem Verknüpfungspunkt 640 dem
das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 642 zugeleitet
wird. Der Verknüpfungspunkt 642 das
Signal MAIRA und das Signal MAIR das von dem Model 640 bereitgestellt wird.
Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 640 gelangt über eine
Begrenzung 650 und ein Filter 600 als Ausgangssignal
QU insbesondere zu dem Verknüpfungspunkt 450 in 4.
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In der Berechnung 615 wird
ausgehend von dem Sauerstoffmassenanteil OMAIR der Luft, der von
dem Model 640 berechnet wird, und dem stöchiometrischen
Verhältnis
R die maximal verbrennbare Kraftstoffmenge bestimmt. Die Nutzung
der Größe OMAIR,
die den Sauerstoffdurchsatz an den Motoreinlassventilen angibt,
hat insbesondere in den Umschaltphasen von Mager- zum Fettbetrieb
Vorteile. Im Magerbetrieb wird über
die Abgasrückführung Restsauerstoff
an den Lufteinlass der Brennkraftmaschine geführt. Während der Umschaltphase Magerbetrieb
nach Fettbetrieb wird der rückgeführte Sauerstoff
auf Null reduziert, dann beginnt die Rückführung von unverbrannten Kohlenwasserstoffe.
Gleiches gilt in umgekehrter Reihenfolge für die Umschaltphase Fettbetrieb
nach Mager. Ihre dargestellte Funktion berechnet das reale Lambda
im Motor daher in den Umschaltphasen sehr exakt.
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Im Verknüpfungspunkt 610 wird
von dieser Kraftstoffmenge, die die maximale verbrennbare Kraftstoffmenge
angibt, die verbrannte Kraftstoffmenge Q abgezogen, und es ergibt
sich der Anteil der unverbrannten Kraftstoffmenge als Ausgangssignal
des Verknüpfungspunktes 610. Über ein
drehzahlabhängiges
Kennfeld 625 wird bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
die unverbrannte Menge aplikativ korrigiert. Hierdurch können Brennverfahrenseinflüsse berücksichtigt
werden.
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Im Verknüpfungspunkt 640 wird
das Verhältnis
aus dem Abgasrückführmassenstrom
MAIRA und dem gesamten Motormassenstrom MAIR berechnet. Im gleichen
Verhältnis
werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffe zurückgeführt, daher wird die unverbrannte
Kohlenwasserstoffmenge im Verknüpfungspunkt 640 mit
diesen Verhältnissen
multipliziert.
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Im bestimmten Motorbetriebszuständen kann
eine abgesetzten, nicht drehmomentbildenden Nacheinspritzung erfolgen,
bei der die Menge QNE1 zugemessen wird. Diese Kraftstoffmenge wird
in der Regel nur anteilig verbrannt und muss der nicht verbrannten
Kraftstoffmenge zugerechnet werden. Der Anteil, der zu berücksichtigen
ist, wird durch das Kennfeld 634 abhängig von der Drehzahl festgelegt und
durch Multiplikation im Verknüpfungspunkt 632 berechnet
und durch Addition im Verknüpfungspunkt 630 der
unverbrannten Kraftstoffmenge zugerechnet.
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Im Magerbetrieb würde eine negative unverbrannte
Kraftstoffmenge berechnet werden. Daher wird diese Kraftstoffmenge
im Block 640 auf minimal Null begrenzt. Der nachgeschaltete
Filter 600 berücksichtigt
die Gaslaufzeit der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgastakt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist diese Filterung
als PT1 Glied ausgebildet.
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In 7 sind
verschiedene Signale über
Zeit aufgetragen in 7a ist
der Lambdasollwert LS, in 7b ist
der Sollwert der Luftmenge MAIRS und in 7c die
eingespritzte Kraftstoffmenge Q aufgetragen. Bis zum Zeitpunkt T1
befindet sich die Brennkraftmaschine im Magerbetrieb. Bis zu diesem
Zeitpunkt nimmt der Lambdasollwert den im Magerbetrieb optimalen
Wert an, der in der Regel im Bereich von ca. 2 liegt. Dieser Wert
wird vorzugsweise abhängig
von verschiedenen Betriebskenngrößen derart
vorgegeben, dass eine optimale Verbrennung vorliegt. Entsprechend
wird der Sollwert in Luftmengen im Magerbetrieb MAIRM ebenfalls
vorgegeben und vom Steller 150 entsprechend eingestellt.
Bei der Kraftstoffmenge wird die Magermenge QM mittels des Stellers 140 eingestellt.
Während
dieses Zeitraumes nimmt der Rampenfaktor R1 den Wert 1 und der Rampenfaktor
R2 den Wert 0 an.
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Zwischen den Zeitpunkten T2 und T3
erfolgt die Regeneration des Abgasnachbehandlungssystems. In diesem
Abschnitt wird ein Fettbetrieb gewünscht, d. h. der Lambdawert
soll deutlich kleiner als im Magerbetrieb sein. Die dargestellte
Ausführungsform
nimmt der Lambdawert den Wert LFS an. Dieser Wert ist im Bereich
von 0,8. Dieser Wert wird vorzugsweise von der Steuerung des Abgasnachbehandlungssystems
derart vorgegeben, dass eine Regeneration des Abgasnachbehandlungssystems möglich ist.
Gleichzeitig wird wie in 4a dargestellt,
der Sollwert für
die Luftmenge MAIRF im Fettbetrieb ausgehend an dem Lambdasollwert
LFS, der Momentengröße MV und
dem Wirkungsgrad W im Fettbetrieb bestimmt. Der Wirkungsgrad im
Fettbetrieb ergibt sich wiederum durch die Division der Fettmenge
QF und des Wunschmoments M Division im Verknüpfungspunkt 260 wie
es in 2 dargestellt ist.
Die entsprechende Fettmenge wird aus dem zweiten Kennfeld 220 ausgehend
von der Drehzahl und dem Momentenwunsch M ausgelesen und mittels
eines Faktors, der mittels des Kennfeldes 230 gewonnen
wird, im Verknüpfungspunkt
235 korrigiert. Die
Korrektur erfolgt dabei abhängig
von der Drehzahl und dem berechneten Lambdawert LB. Die Berechnung
des Lambdawertes ist wiederum in 4b dargestellt,
so werden insbesondere die Luftmenge MAIR die gemessen wird, die
eingespritzte Kraftstoffmenge Q die gemäß 2 berechnet wird und die unverbrannte
Kraftstoffmenge die rückgeführt wird, verwendet.
Diese unverbrannte Kraftstoffmenge wird wiederum die in 6 dargestellt berechnet.
Während
des Fettbetriebs nimmt der Rampenfaktor R1 den Wert 0 und der Rampenfaktor
R2 den Wert 1 an. Der Sollwert für
die Luft MAIRS wird in dieser Betriebsphase im wesentlichen durch
die Fettmenge der Luft MAIRF bestimmt.
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Zum Zeitpunkt T3 endet die Regeneration und
es stellen sich die gleich Verhältnisse
wie vor dem Zeitpunkt T1 ein. Zwischen den Zeitpunkten T1 und T2
erfolgt der Übergang
vom Magerbetrieb in Fettbetrieb und zwischen den Zeitpunkten T3
und T4 erfolgt der Übergang
vom Fettbetrieb in den Magerbetrieb. Während dieser Zeiträume nehmen
die Rampenfaktoren R1 und R2 Zwischenwerte zwischen 0 und 1 an,
wobei die Summe der beiden Rampenfaktoren immer den Wert 1 annimmt.
Die eingespritzte Kraftstoffmenge Q berechnet sich während dieser
Zeitphasen ausgehend von den Fettmengen QF und der Magermengen QM.
Entsprechendes gilt auch für
den Sollwert Luftmenge MAIRS die sich ebenfalls, wie in 4a dargestellt, aus der
Magerluftmenge MAIRM und der Fettluftmenge MAIRF berechnet. Das
Verhältnis
zwischen der Magerluftmenge und der Fettluftmenge wird durch die
Rampenfaktoren R1 und R2 festgelegt.
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Alternativ zu der Messung der Luftmenge MAIR
mittels eines Sensors kann Verwendung eines geeigneten Models diese
Luftmenge, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, auch als anderen
Betriebskenngrößen berechnet
werden.