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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Regelung einer Druckgröße einer Brennkraftmaschine
gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Regelung einer Druckgröße einer
Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der
DE 19731995 bekannt. Dort wird ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Raildrucks bei einem
Common Rail-System
beschrieben. Ausgehend von dem Vergleich zwischen einem Istwert
und einem Sollwert für
den Raildruck ist eine Stellgröße zur Ansteuerung
eines entsprechenden Stellgliedes, beispielsweise eines Druckregelventils
und/oder einer gesteuerten Hochdruckpumpe vorgebbar.
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Dieser Regelung des Raildrucks kommt
in Common Rail-Systemen heutzutage eine immer größere Bedeutung zu, da die Regelgüte Auswirkungen auf
die Dauerhaltbarkeit der Hydraulikkomponenten hat. Verschärfte Abgasnormen
erfordern zudem immer höhere
Drücke
und geringere Abgasemissionen, die vor allem beim Beschleunigen
auftreten. Besondere Anforderungen treten insbesondere bei sportlicher
Fahrweise auf, da es hier häufig
zu dynamischen Betriebszuständen
unter extremen Einsatzbedingungen kommt.
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Der Raildruck muß ständig dem jeweiligen Fahrzustand
angepasst werden. Dies dient der optimalen Verbrennung und damit
auch der Wirtschaftlichkeit und dem Komfort.
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Problematisch ist die Regelung in
dynamischen Fahrzuständen.
Da die Fördermenge
der Pumpe von der Einspritzmenge und der Drehzahl, insbesondere
der Förderpumpe
abhängt,
wirken sich Veränderungen
dieser Parameter negativ auf die Regelung aus. Zudem muß das Druckniveau
des überschüssigen Railinhaltes
möglichst
schnell angepasst werden. Desweiteren besteht eine Totzeit zwischen dem
Reglerausgang und der Änderung
der Förderleistung.
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Zur Entlastung des Integrators in
der Regelung ist das Fördermengenkennfeld
mit den bekannten Parametern vorgesehen. Dieses arbeitet korrekt für den stationären Betrieb.
Systemtoleranzen werden durch den Integrator korrigiert. Änderungen
am statischen System führen
zu zeitlich begrenzten Abweichungen des Istwertes vom Sollwert.
Es gilt, diese Abweichungen so gering wie möglich zu halten.
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Besonders problematisch ist, dass
dynamische Änderungen
durch einen PI-Regler nicht ausgeglichen werden können. Der
parallel geschaltete D-Anteil verhindert ein Überschwingen des Integrators.
Der nachgeschaltete D-Anteil soll die Totzeit vorsteuern. Leider
wirken sich große Änderungen
der Einspritzmenge oder der Pumpendrehzahl weiterhin störend auf
die Druckregelung aus.
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Es gilt nun die Regelung des Raildrucks,
insbesondere in dynamischen Zuständen
weiter zu verbessern. Dadurch, dass ausgehend von wenigstens einer
Betriebskenngröße mittels
eines Elements, das differenzierendes Verhalten aufweist, ein Wert
vorgebbar ist, mit dem die Stellgröße beeinflusst werden kann,
ist eine wesentlich genauere Regelung in dynamischen Betriebszuständen möglich. Durch
diese Vorsteuerung, abhängig
von verschiedenen Betriebszuständen
mittels eines differenzierenden Anteils, ist eine sehr präzise Regelung
des Raildrucks auch in dynamischen Zuständen möglich. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der Zeichnung dargestellt und Ausführungsformen erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Common Rail-Systems,
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2 ein
Blockdiagramm der wesentlichen Elemente der Regelung und
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3 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung der
erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 sind
für das
Verständnis
der Erfindung erforderlichen Bauteile eines Kraftstoffversorgungssystems
einer Brennkraftmaschine mit Hochdruckeinspritzung dargestellt.
Das dargestellte System wird üblicherweise
als Common-Rail-System bezeichnet.
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Mit 100 ist ein Kraftstoffvonatsbehälter bezeichnet.
Dieser steht über
einen ersten Filter 105, eine Vorförderpumpe 110 mit
einem zweiten Filtermittel 115 in Verbindung. Vom zweiten
Filtermittel 115 gelangt der Kraftstoff über eine
Leitung zu einer Hochdruckpumpe 125. Die Verbindungsleitung
zwischen dem Filtermittel 115 und der Hochdruckpumpe 125 steht über ein
Niederdruckbegrenzungsventil 145 mit dem Vorratsbehälter 100 in
Verbindung. Die Hochdruckpumpe 125 steht mit einem Rail 130 in Verbindung.
Das Rail 130 wird auch als Speicher bezeichnet und steht über Kraftstoffleitungen
mit verschiedenen Injektoren 131 in Kontakt. Über ein Druckregelventil 135 ist
das Rail 130 mit dem Kraftstoffvonatsbehälter 100 verbindbar.
Das Druckregelventil 135 ist mittels einer Spule 136 steuerbar.
Die Hochdruckpumpe beinhaltet ein Stellelement mit dem die von der
Hochdruckpumpe 125 geförderte Kraftstoffmenge
beeinflusst wird. Dieses Stellelement ist in der Hochdruckpumpe
oder vor der Hochdruckpumpe angeordnet und bestimmt die Kraftstoffmenge,
die der Hochdruckpumpe zugeführt
und damit in den Hochdruckbereich gefördert wird.
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Die Leitungen zwischen dem Ausgang
der Hochdruckpumpe 125 und dem Eingang des Druckregelventils 135 werden
als Hochdruckbereich bezeichnet. In diesem Bereich steht der Kraftstoff
unter hohem Druck. Der Druck im Hochdruckbereich wird mittels eines
Sensors 140 erfasst. Die Leitungen zwischen dem Tank 100 und
der Hochdruckpumpe 125 werden als Niederdruckbereich bezeichnet.
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Eine Steuerung 160 beaufschlagt
die Hochdruckpumpe 125 mit einem Ansteuersignal AP, die Injektoren 131 mit
einem Ansteuersignal A und/oder das Druckregelventil 135 mit
Ansteuersignal AV. Die Steuerung 160 verarbeitet verschiedene
Signale verschiedener Sensoren 165, die den Betriebszustand der
Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeugs, daß die Brennkraftmaschine
antreibt, charakterisieren. Ein solcher Betriebszustand ist beispielsweise
die Drehzahl N der Brennkraftmaschine.
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Diese Einrichtung arbeitet wie folgt:
Der Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, wird von der
Vorförderpumpe 110 durch
die Filtermittel 105 und 115 gefördert.
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Steigt der Druck im Niederdruckbereich
auf unzulässig
hohe Werte an, so öffnet
das Niederdruckbegrenzungsventil 145 und gibt die Verbindung zwischen
dem Ausgang der Vorförderpumpe 110 und dem
Vorratsbehälter 100 frei.
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Die Hochdruckpumpe 125 fördert die
Kraftstoffmenge Q1 vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich.
Die geförderte
Kraftstoffmenge wird dabei durch das Signal AP bestimmt, mit dem
das Stellelement in der Hochdruckpumpe beaufschlagt wird. Dies bedeutet
die Hochdruckpumpe ist saugseitig geregelt.
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Die Hochdruckpumpe 125 baut
im Rail 130 einen sehr hohen Druck auf. Üblicherweise
werden bei Systemen für
fremdgezündete
Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden
Brennkraftmaschinen Druckwerte von etwa 1000 bis 2000 bar erzielt. Über die
Injektoren 131 kann der Kraftstoff unter hohem Druck den einzelnen
Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen werden.
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Mittels des Sensors 140 wird
der Druck P im Rail bzw. im gesamten Hochdruckbereich erfaßt. Mittels
der steuerbaren Hochdruckpumpe 125 und/oder des Druckregelventils 135 wird
der Druck im Hochdruckbereich geregelt.
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In 2 ist
die erfindungsgemäße Regelung des
Raildrucks detailierter dargestellt. Diese ist vorzugsweise in der
Steuerung 160 enthalten. Bereits in 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden
Bezugszeichen bezeichnet. Einem Kennfeld 200 werden verschiedene
Signale von verschiedenen Sensoren bzw. Signale, die intern in der
Steuerung 160 vorliegen, zugeführt. Dies sind insbesondere
ein Signal bezüglich
der Drehzahl N und ein Signal QK, das die eingespritzte Kraftstoffmenge
charakterisiert. Als Drehzahl wird vorzugsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine
und/oder die Drehzahl der Hochdruckpumpe verwendet.
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Mit dem Ausgangssignal des Kennfeldes 200 wird
ein Verknüpfungspunkt 205 beaufschlagt, der
wiederum einen Verknüpfungspunkt 206 und
einen differenzierenden ersten Anteil 215 beaufschlagt.
Mit dem Ausgangssignal des ersten differenzierenden Anteils wird
der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 206 beaufschlagt.
Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 206 gelangt über eine
Begrenzung 210 zu dem Stellglied 125. In der dargestellten
Ausführungsform
handelt es sich bei dem Stellglied um die gesteuerte Hochdruckpumpe. Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass andere Stellglieder angesteuert
werden, mit denen der Raildruck beeinflussbar ist, dies kann beispielsweise
das Druckregelventil 135 sein.
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Das Ausgangssignal P des Drucksensors 140 gelangt
zu einem Verknüpfungspunkt 225,
an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal S einer Sollwertgabe 220 anliegt,
die einen Sollwert S für
den Raildruck bereitstellt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 225,
das der Regelabweichung entspricht, gelangt zu einem Proportionalanteil 230, einem
Integralanteil 232 und zu einem differenzierenden Anteil 238 eines
Raildruckreglers. Mit dem Ausgangssignal des Proportionalanteils 230 und
des Integralanteils 232 wird ein Verknüpfungspunkt 234 beaufschlagt,
der wiederum einen Verknüpfungspunkt 236 beaufschlagt.
Das Ausgangssignal des differenzierenden Anteils 238 gelangt über den
Verknüpfungspunkt 240 zu
dem Verknüpfungspunkt 236.
Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 236 gelangt
zu dem Verknüpfungspunkt 205.
Die Elemente 225 bis 240 bilden einen Druckregler
und das Kennfeld 200 beinhaltet im Wesentlichen eine Vorsteuerung.
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Die Steuerung 160 stellt
ferner einen Wert einer oder mehrerer Betriebskenngrößen bereit,
der zu einem zu einem differenzierenden Verhalten aufweisenden Element 260 und
zu einem Fensterkomparator 270 gelangt. Das Ausgangssignal
des Fensterkomparators 270 gelangt an einen Schalteingang
eines Schaltmittels 265. Das Ausgangssignal des differenzierenden
Elements 260 gelangt zum einen zu einem PT1-Glied 275 und
zu dem Schaltmittel 265. Das Ausgangssignal des PT1-Gliedes 275 gelangt ebenfalls
zu dem Schaltmittel 265. Mit dem Ausgangssignal des Schaltmittels
265 wird
der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 240 beaufschlagt.
Die Elemente 260 bis 275 bilden gemeinsam eine
dynamische Vorsteuerung 250.
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Ausgehend von verschiedenen Betriebszuständen sind
in dem Kennfeld 200 Vorsteuerwerte abgelegt, mit denen
die Stellgröße für das Stellglied 125 beeinflusst
werden kann. Diese Beeinflussung erfolgt im Verknüpfungspunkt 205.
Die Vorsteuerung bewirkt eine Dynamikverbesserung der eigentlichen Regelung.
Ausgehend von dem Vergleich zwischen dem Sollwert und dem Istwert
P bestimmt der Regler, bestehend aus den Anteilen 230, 232 und 238 einen Wert
zur Beeinflussung der Stellgröße. Das
Ausgangssignal des Reglers und das Ausgangssignal der Vorsteuerung
werden in dem Verknüpfungspunkt 205 vorzugsweise
additiv verknüpft.
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Die Verknüpfung der Ausgangssignale der verschiedenen
Anteile 230, 232 und 238 erfolgt vorzugsweise
in den Verknüpfungspunkten 234 und 236.
Alternativ können
diese auch zu einem Verknüpfungspunkt
zusammen gefasst werden.
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Diese so gebildete Stellgröße gelangt
zu einem ersten differenzierenden Anteil 215, der, ausgehend
von der Steilgröße durch
Differentiation einen weiteren Konekturwert bildet, mit dem die
Stellgröße im Verknüpfungspunkt 206 derart
beeinflusst wird, dass sich die Dynamik verbessert. Der so korrigierte Wert
gelangt dann zu dem Begrenzer 210. Dieser begrenzt die
Stellgröße auf physikalisch
mögliche und/oder
zulässige
Werte.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Vorsteuerung
und der erste D-Anteil 215 nicht ausreichen, um im dynamischen
Betrieb eine optimale Regelung gewährleisten zu können. Deshalb
ist erfindungsgemäß die dynamische
Vorsteuerung 250 vorgesehen. Diese dynamische Vorsteuerung
bildet, ausgehend von einer geeigneten Betriebskenngröße, einen
weiteren Korrekturwert zur Beeinflussung der Stellgröße. Hierzu
wird vorzugsweise das differenzierende Element 260 verwendet.
Als Größe wird dabei
die Differenz zweier Werte der Betriebskenngrößen ermittelt, die zwischen
zwei aufeinander folgenden Einspritzungen vorliegen. Vorzugsweise
werden als Betriebskenngrößen zur
Bildung der dynamischen Vorsteuerung Werte verwendet, die die einzuspritzende
Kraftstoffmenge charakterisieren. Besonders geeignet ist hierbei
eine Größe bezüglich des Fahrerwunsches
bzw. eine Momentengröße, die
den Fahrerwunsch charakterisiert. Dadurch können sehr früh bevorstehende Änderungen
der Einspritzmenge bzw. des Fahrerwunsches für die Raildruckregelung erfasst
werden. Zusätzlich
kann auch noch die Pumpendrehzahl herangezogen werden. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Werte zweier aufeinander folgenden
Einspritzungen verwendet werden und zur Steuerung der Einspritzung
der Mengenwunsch verzögert
weitergeleitet wird, d.h. dass der Mengenwunsch zur Steuerung der
Menge erst dann verarbeitet wird, wenn die Vorsteuerung diese Änderung schon
erkannt und eine entsprechende Korrektur der Stellgröße vorgenommen
hat. Dies bedeutet, die dynamische Vorsteuerung 250 ändert die
Stellgröße bereits
bevor die Steuerung der Einspritzmenge die Einspritzmenge erhöht.
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Erkennt der D-Anteil 260 eine
wesentliche Änderung
der Betriebskenngröße, gibt
er einen entsprechenden Korrekturwert für die Stellgröße vor.
Die Vorgabe dieser Korrektwgröße erfolgt
lediglich bei entsprechenden Änderungen
der Betriebskenngröße. Dies
wird durch den Fensterkomparator 270 gewährleistet.
Lediglich wenn die Änderungen
größer als
ein Schwellwert SW sind, gibt der Fensterkomparator 270 ein
Signal an das Schaltmittel 265, das das Ausgangssignal
des differenzierenden Elements 260 zur Wirkung kommt. Ist
das Signal kleiner als der Schwellenwert SW, so wird der Wert 0
weitergegeben. Mittels des PT1-Gliedes wird gewährleistet, dass nicht abrupt
von dem Ausgangssignal des differenzierenden Elementes auf 0 umgeschaltet
wird. Erfindungsgemäß wird bei
einer Umschaltung auf den Wert 0 das bisherige Ausgangssignal des
differenzierenden Elements 260 mittels einer vorgegebenen Funktion,
die durch das PT1-Glied festgelegt wird, auf 0 zurück geführt.
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Desweiteren ist vorgesehen, dass
bei einem Vorzeichenwechsel am Eingang der differenzierenden Elements 260 dessen
Wert sofort gelöscht
und ein neuer Ausgangswert in der korrekten Vorsteuerrichtung berechnet
wird.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise wurde bisher
am Beispiel der Kraftstoffmenge bzw. einer diese Größe charakterisierende
Menge beschrieben. Diese Vorgehensweise ist auch auf andere Betriebskenngrößen anwendbar.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine
bzw, auf eine die Drehzahl der Brennkraftmaschine charakterisierende
Größe. Als solche
Größe wird
beispielsweise die Drehzahl der Hochdruckpumpe verwendet.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist in 3 näher erläutert.
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In einem ersten Schritt 300 wird
die einzuspritzende Kraftstoffmenge QK ermittelt. In anschließenden Schritt
310 wird die Differenz QKD zwischen dem aktuellen Wert der Kraftstoffmenge
QK und dem, bei der vorhergehenden Einspritzung berechneten Wert
QKA ermittelt. Im Schritt 320 wird der Betrag QKDB dieser Größe bestimmt.
Die sich anschließende
Abfrage 330 überprüft, ob der
Wert QKDB größer als
ein Schwellenwert SW ist. Ist dies der Fall, so wird das Schaltmittel 265 so
angesteuert, dass in Schritt 340 das differenzierende Element 260 Durchgriff
auf die Stellgröße besitzt.
Ist dies nicht der Fall, so wird in Schritt 350 das Schaltmittel 265 derart
angesteuert, dass das PT1-Glied Durchgriff auf die Stellgröße besitzt.
Dabei ist vorgesehen, dass der Startwert des PT1-Gliedes derart initialisiert wird, dass
es den bisherigen Wert des D-Anteiles übernimmt.
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Eine sich anschließende Abfrage 360 überprüft, ob bei
der vorhergehenden Zumessung ein Vorzeichenwechsel bei dem Signal
QKD aufgetreten ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 365 der
Wert des differenzierenden Elements 260 neu initialisiert. Ist
dies nicht der Fall, so wird zum normalen Programmablauf übergegangen,
wobei die Kraftstoffzumessung mit dem im vorhergehenden Schritt
berechneten Wert QKA in Schritt 370 durchgeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass neben
einer statischen Vorsteuerung, die durch das Kennfeld 200 realisiert
wird, einem Regler, der ausgehend von einem Soll-Ist-Vergleich eine Stellgröße vorgibt,
zusätzlich
eine dynamische Vorsteuerung vorgesehen ist. Alternativ kann auch
die statische Vorsteuerung 200 weggelassen werden. Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
diese dynamische Vorsteuerung nur im Großsignalbereich wirkt, d.h.,
dass die Vorsteuerung nur in ersten Betriebszuständen zur Korrektur der Stellgröße verwendet
wird. Diese ersten Betriebszustände
liegen vor, wenn sich die Betriebskenngröße um mehr als einen vorgegebenen
Wert SW ändert.
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Besonders vorteilhaft ist ferner,
dass eine Initialisierung des Differenzierens des V erhalten aufweisenden
Elements 260 vorgesehen ist, die derart erfolgt, dass keine
ungewollten Sprünge
bei der Stellgröße austreten
und der gespeicherte Wert nicht die Dynamik in der falschen Richtung
stört.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das differenzierende Element 260 im
Kleinsignalbereich abgeschaltet ist. Dies wird mit dem Schaltmittel 265 in
Verbindung mit dem Fensterkomparator 260 realisiert. Erfolgt
eine solche Abschaltung, wird der bestehende Ausgangswert des differenzierenden
Element
260 mittels des PT1-Gliedes 265 auf 0
zurück
geführt.
Dadurch können
Sprünge
im Ausgangssignal vermieden werden. Ändert sich das Vorzeichen am
Eingang, dann wird der Speicher im D-Anteil sofort gelöscht und
ein neuer Ausgangswert in der korrekten Vorsteuerrichtung berechnet.
Dadurch wird vermieden, dass der Wert des D-Anteils dynamikhemmend
wirkt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
als Betriebskenngrößen die
Einspritzmenge, eine die Einspritzmenge charakterisierende Größe, die
Pumpendrehzahl, eine die Pumpendrehzahl charakterisierende Größe oder
eine dieser Größe entsprechende Größe wie beispielsweise
Motordrehzahl als Betriebskenngröße verwendet
werden.