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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst ein
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff
während
eines Arbeitstaktes in mindestens einem Brennraum verbrannt wird,
bei dem ein Gasdruck, welcher während
des Arbeitstaktes im Brennraum herrscht, mittels eines Drucksensors
erfasst wird, und bei dem die Plausibilität einer aus dem Signal des
Drucksensors gewonnenen Messgröße überwacht
wird.
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Ein solches Verfahren ist vom Markt
her bekannt. Dabei ist bei einer Brennkraftmaschine in mindestens
einem Zylinder ein Drucksensor vorgesehen, welcher den im Brennraum
das Zylinders aktuell herrschenden Gasdruck misst. Mit aus dem Gasdruck
abgeleiteten Größen können Erkenntnisse über den
Verlauf und die Qualität
der Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum gewonnen werden. Diese
Erkenntnisse werden für eine
Optimierung der Steuerung der Brennkraftmaschine, insbesondere im
Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch, das Emissionsverhalten, und
die Laufruhe, verwendet.
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Die eingesetzten Drucksensoren sind
jedoch extremen Temperatur- und Druckbelastungen ausgesetzt. Daher
ist ein komplexes mechanisches Design erforderlich, um eine Auswerteelektronik
des Drucksensors vom eigentlichen Aufnehmer, welcher unmittelbar
am Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine angeordnet ist,
zu entkoppeln. Dennoch kann nicht ausgeschlossen werden, dass ein
solcher Drucksensor versagt. Um ein solches Versagen zu erkennen,
wird die Plausibilität
des Signals des Drucksensors überwacht. Hierzu
werden bei dem bekannten Verfahren starre Grenzwerte definiert,
und wenn das Signal diese Grenzwerte über- beziehungsweise unterschreitet,
wird von einem Fehler des Drucksensors ausgegangen. So wird beispielsweise
auf einen Fehler des Drucksensors erkannt, wenn das Sensorsignal
während
des Betriebs der Brennkraftmaschine 0 Volt anzeigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
dass ein fehlerhafter Drucksensor noch sicherer identifiziert und
so der Betrieb der Brennkraftmaschine noch zuverlässiger gestaltet
werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs Art dadurch gelöst,
dass auf der Basis einer Mehrzahl aktueller Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine, welche nicht auf dem Signal des Drucksensors basieren,
eine der Messgröße entsprechende
Referenzgröße ermittelt
wird, dass die Messgröße mit der
Referenzgröße verglichen
wird, und dass mittels dieses Vergleichs die Plausibilität des Signals
des Drucksensors überprüft wird.
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Vorteile der Erfindung
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
kennen auch solche Fehler bei der Bestimmung des Gasdrucks in einem
Brennraum der Brennkraftmaschine erkannt werden, welche bei der
bisher verwendeten starren Grenzwertüberwachung prinzipbedingt nicht
erfasst werden konnten. Hierzu gehören beispielsweise Verstärkungsfehler,
also eine Abweichung eines Proportionalitätsfaktors zwischen dem Druck
und dem Ausgangssignal des Drucksensors. Ferner gehören hierzu
Driftfehler, das heißt
eine Überlagerung
des eigentlichen Ausgangssignals mit einer zeitabhängigen Fehlergröße. Auch
eine Hysterese, hervorgerufen durch veränderte mechanische Eigenschaften
in der Kraftübertragung
des Drucksensors, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr entdeckt
werden. Thermoschockzustände,
also durch thermische Spannungen erzeugte Drucksignale, welche keine
Entsprechung beim Gasdruck haben, können dank des erfindungsgemäßen Verfahrens
ebenfalls entdeckt werden. Weiterhin ist es dank der Erfindung möglich, nichtlineare
Fehler zu erfassen, welche durch Ablagerungen beispielsweise von
Verbrennungsrückständen auf
mechanischen Komponenten eines Drucksensors hervorgerufen werden
können.
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Dies alles wird dadurch ermöglicht,
dass die Messgröße, welche
aus dem aktuellen Signal des Drucksensors gewonnen wird, mit einer
physikalisch entsprechenden Referenzgröße verglichen wird, welche
durch ein numerisches Verfahren auf völlig unabhängige Art und Weise auf der
Basis von Betriebsgrößen, welche dem
aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine entsprechen, gewonnen
wird. Letztlich wird also eine auf einer Messung basierende Messgröße mit einer
auf der Basis der aktuellen Betriebsbedingungen berechneten Referenzgröße verglichen.
Dies ermöglicht
es, die unterschiedlichen Fehlereinflüsse, welche zu einem fehlerhaften
ermittelten Gasdruck führen
können,
einzeln zu erkennen, aber auch eine Überlagerung von Einzelfehlern
zu einem unbekannten Gesamtfehler kann erkannt werden. Insgesamt
wird so die Zuverlässigkeit
des aus dem Signal des Drucksensors hervorgehenden Gasdruckwerts
gesteigert, was letztlich dem Kraftstoffverbrauch, dem Emissionsverhalten,
und der Laufruhe der Brennkraftmaschine zugute kommt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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Besonders bevorzugt ist jene Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei welcher jeweils ein zeitlicher Verlauf der Messgröße und der
Referenzgröße innerhalb
eines Arbeitstaktes bestimmt und die beiden Verläufe miteinander verglichen
werden. Auf diese Weise kann ein auf der Basis des Signals des Drucksensors
gewonnener fehlerhafter Druckwert noch besser erkannt werden.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen,
dass die maximale Abweichung der Messgröße von der Referenzgröße bestimmt
und mit mindestens einem Grenzwert verglichen wird. Dies ist einfach
zu realisieren und reduziert den Speicher- und Rechenbedarf.
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Möglich
ist auch, dass die Abweichung der Messgröße von der Referenzgröße an jeweils
gleichen zeitlichen Stellen der beiden Verläufe ermittelt, hieraus ein
Summenwert gebildet, und der Summenwert mit mindestens einem Grenzwert
verglichen wird. Dies gestatt auch die Erfassung zwar betragsmäßig kleiner,
jedoch mehr oder weniger während
eines Arbeitstaktes konstant vorhandener Fehler. Um eine Kompensation
von positiven Abweichungen durch negative Abweichungen zu vermeiden,
können
zur Bildung des Summenwerts entweder die Absolutwerte der Abweichungen
oder die Quadrate der Abweichungen verwendet werden.
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Wenn abhängig vom Ergebnis der Plausibilitätsprüfung ein
Eintrag in einem Fehlerspeicher erfolgt und/oder eine Information
an einen Benutzer der Brennkraftmaschine ausgegeben wird, können rechtzeitig Gegenmaßnahmen
ergriffen werden, so dass Schäden
an der Brennkraftmaschine durch einen in unzulässigem Umfang fehlerhafte Druckwerte
liefernden Drucksensor vermieden werden.
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Die Zuverlässigkeit der Plausibilitätsprüfung wird
nochmals verbessert, wenn der Vergleich der Messgröße mit der
Referenzgröße für eine Mehrzahl
von Arbeitstakten durchgeführt
wird und erst dann auf eine Nicht-Plausibilität des Signals des Drucksensors
beziehungsweise der hieraus gewonnenen Messgröße erkannt wird, wenn der Vergleich
bei einer bestimmten Anzahl von Arbeitstakten zu einem entsprechenden
Ergebnis geführt
hat. Hierdurch wird vermieden, dass beispielsweise bei einer nur
einmaligen unzulässigen
Abweichung der Messgröße von der
Referenzgröße bereits
angezeigt wird, dass der Drucksensor fehlerhaft arbeitet, und so
die Zuverlässigkeit
der Diagnose gesteigert.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vorgeschlagen, dass die Messgröße und die Referenzgröße jeweils
eine Wärmemenge
sind, die auf die insgesamt während
eines Arbeitstaktes zugeführte
Wärmemenge
normiert ist, und dass die Messgröße aus dem Signal des Drucksensors
auf der Basis thermodynamischer Gleichungen, und die Referenzgröße mittels
einer Vibe-Funktion ermittelt werden. Die Vibe-Funktion geht von der Vorstellung aus,
dass die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe in Form einer Kettenreaktion erfolgt.
Hieraus wurde ein Rechenmodell erstellt, welches als Vibe-Funktion
bezeichnet wird. Diese beschreibt die wesentlichen Merkmale einer
motorischen Verbrennung mit insgesamt nur drei Parametern. Die Vibe-Funktion
ist daner sehr einfach zu programmieren, und die Referenzgröße ist sehr
schnell mit geringem Rechenaufwand erhältlich.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird
auch bei einem Computerprogramm gelöst, welches zur Anwendung in
einem Verfahren der obigen Art programmiert ist. Gleiches gilt auch
für ein
elektrisches Speichermedium für
ein Steuer- und/oder
Regelgerät
einer Brennkraftmaschine, auf dem ein Computerprogramm zur Anwendung
in einem Verfahren der obigen Art abgespeichert ist. Schließlich wird
die Aufgabe auch durch ein Steuer- und/oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine
gelöst,
welches zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert
ist.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Drucksensor;
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2 ein
Flussdiagramm, welches eine Plausibilitätsprüfung des Drucksensors von 1 zeigt; und
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3 ein
Diagramm, in dem der Verlauf einer Messgröße und einer Referenzgröße über dem
Winkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 1 aufgetragen ist.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10.
Sie umfasst mehrere Zylinder, von denen aus Darstellungsgründen in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 gezeigt
ist. Der Zylinder 12 umfasst einen Brennraum 14,
dem Frischluft über
ein Zuströmrohr 16 und
ein Einlassventil 18 zugeführt wird. Die zugeführte Luftmasse
wird von einem HFM-Sensor 19 erfasst. Kraftstoff gelangt
in den Brennraum 14 über
einen Injektor 20 und ein Kraftstoffsystem 22.
Ein im Brennraum 14 vorhandenes Kraftstoff-Luftgemisch
wird von einer Zündkerze 24 entzündet, die
von einem Zündsystem 26 gespeist
wird.
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Die Verbrennungsabgase werden aus
dem Brennraum 14 über
ein Auslassventil 18 in ein Abgasrohr 30 geleitet.
Der Druck des während
eines Arbeitstaktes im Brennraum 14 eingeschlossenen Gases
wird von einem Drucksensor 32 erfasst. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird
eine Kurbelwelle 34 in Drehung versetzt. Deren Winkelstellung
wird von einem Winkelsensor 36 abgegriffen.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine
wird von einem Steuer- und
Regelgerät 38 gesteuert
beziehungsweise geregelt. Dieses empfängt Signale vom HFM-Sensor 19,
vom Drucksensor 32, und vom Winkelsensor 36. Es
steuert unter anderem das Zündsystem 26,
den Injektor 20 und eine in 1 nicht
dargestellte Drosselklappe, die im Zuströmrohr 16 angeordnet
ist, an. Auf diese Weise können
die Drehzahl und das Drehmoment der Brennkraftmaschine 10 abhängig von
einem Wunsch eines Benutzers der Brennkraftmaschine 10 eingestellt
werden. Gleichzeitig soll die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 10 so
erfolgen, dass sie im Betrieb möglichst
wenig Kraftstoff verbraucht, möglichst
wenig Emissionen erzeugt werden, und ihre Laufruhe optimal ist.
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Eine zentrale Rolle für diese
Einstellungen spielt die Kenntnis vom Ablauf und der Qualität der während eines
Arbeitstaktes im Brennraum 14 ablaufenden Verbrennung des
Kraftstoff-Luftgemisches. Eine hierfür wichtige Betriebsgröße ist der
Gasdruck, welcher während
eines Arbeitstaktes im Brennraum 14 herrscht und welcher
vom Drucksensor 32 erfasst wird. Es ist daher für den Betrieb
der Brennkraftmaschine 10 wichtig, dass zuverlässig erkannt
werden kann, wenn der aus dem Signal des Drucksensors 32 ermittelte
Gasdruck fehlerhaft ist. Um einen solchen Fehler erkennen zu können, wird
gemäß einem
Verfahren vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird. Das Verfahren ist
als Computerprogramm auf einem Speicher 40 des Steuer-
und Regelgeräts 38 abgespeichert.
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Nach einem Startblock 42 wird
in einem Block 44 abgefragt, ob ein Arbeitstakt cyc gerade
beginnt. Hierzu werden die Signale des Winkelsensors 36,
welcher den Kurbelwinkel der Kurbelwelle 34 erfasst, ausgewertet.
Ist die Antwort im Block 44 "ja",
werden in konstanten Winkelabständen
des Kurbelwinkels der Kurbelwelle 34 die vom Drucksensor 32 gelieferten
Druckwerte pi aufgenommen und abgespeichert
(Block 46). Der Index i ist zu Beginn eines Arbeitstaktes
cyc = 0 und erreicht am Ende eines Arbeitstaktes cyc einen Maximalwert
N. In einem Block 48 wird anschließend abgefragt, ob der Arbeitstakt
cyc gerade endet. Ist die Antwort im Block 48 "ja", wird die Abtastung
und Abspeicherung der Druckwerte pi beendet.
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Aus den abgespeicherten Druckwerten
p
i wird im Block
50 ein so genannter "Heizverlauf" ermittelt. Dieser
bringt die Umsetzung des in den Brennraum
14 mittels des
Injektors
20 eingespritzten Kraftstoffes in eine Wärmeenergie
Q
i zum Ausdruck und hängt unter anderem von Polytropenexponenten
n, sowie vom Zylindervolumen V
i und vom
Gasdruck p
i ab. Der Polytropenexponent n
hängt von
der Betriebsart der Brennkraftmaschine
10 ab und ist dem
Steuer- und Regelgerät
38 bekannt.
Das Zylindervolumen V
i kann aufgrund der Stellung
der Kurbelwelle
34, die vom Winkelsensor
36 abgegriffen
wird, für
den Zylinder
12 bestimmt werden. Die entsprechende Gleichung
zur Bestimmung der zugeführten
Wärmemenge
Q
i lautet folgendermaßen:
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Grundlage für diese Gleichung ist der erste
Hauptsatz der Thermodynamik. Aus dem Heizverlauf Qi wird
im Block 52 mittels Summenbildung der bis zu einem jeweiligen
Zeitpunkt m erreichte Energieumsatz QBm ermittelt. Ferner wird in
einem Block 54 der insgesamt während des betrachteten Arbeitstaktes
erzielte Energieumsatz QBN ermittelt. Im Block 56 werden
die zu den jeweiligen Zeitpunkten m (eigentlich: Winkelstellungen
der Kurbelwelle 34) erzielten Energieumsätze QBm
mittels des gesamten Energieumsatzes QBH normiert und hieraus eine
Größe xH gebildet,
welche einen normierten Verlauf des Energieumsatzes im Brennraum 14 während eines
Arbeitstaktes cyc wiedergibt, und zwar auf der Basis der Signale
des Drucksensors 32. Die Größe xB wird auch als "Messgröße" bezeichnet, da sie
auf den Messsignalen des Drucksensors 32 basiert. Der Verlauf
der Messgröße xB ist
in 3 als durchgezogene
Linie über
dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 34 dargestellt.
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Ein zentraler Punkt des in 2 dargestellten Verfahrens
ist der Vergleich des in 56 bestimmten Verlaufs der Messgröße xB mit
einer Referenzgröße xBref,
die der Messgröße xB physikalisch
entspricht, jedoch mittels eines Verfahrens gewonnen wird, in welches
die Signale des Drucksensors 32 nicht einfließen. Hierzu wird
vorliegend die so genannte "Vibe-Funktion" verwendet, welche
auf der Vorstellung basiert, dass die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe
im Brennraum 14 in Form einer Kettenreaktion erfolgt. Ausgehend
hiervon und von reaktionskinetischen Überlegungen an einem homogenen
Kraftstoff-Luftgemisch ergibt sich die so genannte Durchbrennfunktion
xBref.
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Diese Funktion wird in 2 im Block 58 berechnet.
Die für
die Berechnung erforderlichen Koeffizienten werden in einem Block 60 ermittelt
beziehungsweise bereitgestellt.
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Beim Koeffizienten mV handelt es
sich um den so genannten Vibe-Koeffizienten. Dieser wird bei einem Laborversuch
für unterschiedliche
Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 10 bestimmt. Eine
Möglichkeit
besteht darin, dass beispielsweise bei einem solchen Laborversuch
ein Druckverlauf für
einen Betriebspunkt garantiert fehlerfrei gemessen und hieraus der
reale Brennverlauf bestimmt wird. Durch graphische Ermittlungsverfahren,
beispielsweise zweifaches Logarithmieren des realen Brennverlaufs,
kann der Vibe-Parameter mV bestimmt werden. Es versteht sich, dass
für verschiedene
Betriebsbedingungen OC der Brennkraftmaschine 10 die entsprechenden
Parameter der Vibe-Funktion xBref im Steuer- und Regelgerät 38 abgespeichert
sind.
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Ein Parameter wBS bezeichnet jenen
Kurbelwinkel der Kurbelwelle 34, bei dem die Verbrennung
des im Brennraum 14 eingeschlossenen Kraftstoff-Luft-Gemisches
beginnt. Dieser Wert kann üblicherweise
aus dem Zündwinkel,
also jenem Winkel der Kurbelwelle 20, bei dem die Zündkerze 24 zündet, bestimmt
werden. Ein Parameter wBD bezeichnet die Verbrennungsdauer während des
Arbeitstaktes cyc. Diese kann vom Steuer- und Regelgerät 38 in
Kenntnis der eingespritzten Kraftstoffmenge sowie der vom HFM-Sensor 19 erfassten Luftfüllung, sowie
gegebenenfalls noch auf der Basis weiterer Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10, ermittelt werden. Der Koeffizient
a ergibt sich aus dem Umsetzungsgrad des Kraftstoffes bei der Verbrennung. Wenn
dieser näherungsweise
mit 99,9 % angenommen wird, ergibt sich ein Koeffizient a von 6,903.
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In 58 wird die Referenzgröße xBref
mit den den aktuellen Betriebsbedingungen OC entsprechenden Parametern
berechnet. Die entsprechende Kurve der Vibe-Funktion xBref ist in 3 gestrichelt dargestellt.
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Im Block 62 wird die maximale
Abweichung dmax des Verlaufs der Messgröße xB vom Verlauf der Referenzgröße xBref
bestimmt. Im Block 64 wird abgefragt, ob die im Block 62 ermittelte
maximale Abweichung dmax größer ist
als ein Grenzwert G1. Ist die Antwort im Block 64 "nein", wird in einem Block 66 abgefragt,
ob die Abweichung dmax kleiner oder gleich einem zweiten Grenzwert
G2 ist. Durch die Abfragen in den Blöcken 64 und 66 werden
also unzulässige
Abweichungen nach oben oder nach unten der Messgröße xB von
der Referenzgröße xBref
erfasst.
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Ist die Antwort im Block 64 "ja", wird im Block 68 ein
Zählwert
n1 um 1 erhöht.
Anschließend
wird in einem Block 70 abgefragt, ob der Zählwert n1
größer ist
als ein Grenzwert G3. Ist die Antwort im Block 70 "nein", erfolgt ein Rücksprung
zum Beginn des Verfahrens, so dass die Plausibilitätsprüfung für einen
weiteren Arbeitstakt cyc durchgeführt wird. Analog hierzu wird
dann, wenn die Antwort im Block 66 "ja" ist,
im Block 72 ein zweiter Zählwert n2 um 1 erhöht, und
anschließend
wird im Block 74 abgefragt, ob der zweite Zählwert n2 größer ist
als ein Grenzwert G4. Analog hierzu erfolgt ein Rücksprung
zum Beginn des Verfahrens, wenn die Antwort im Block 74 "nein" ist.
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Ist die Antwort entweder im Block 70 oder
im Block 74 "ja", was gleichbedeutend
ist damit, dass bei einer festgelegten maximalen Anzahl von Arbeitstakten
cyc eine unzulässig
große
Abweichung dmax festgestellt worden ist, wird in Block 76 eine
Information erzeugt. Diese besteht zum einen aus einem Eintrag in
einen Fehlerspeicher und zum anderen in der Ausgabe eines Hinweises
an den Benutzer der Brennkraftmaschine 10. Das Verfahren
endet im Block 78.
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Es versteht sich, dass die maximale
Abweichung dmax auch einer Summe von an jeweils gleichen zeitlichen
Stellen der beiden Verläufe
xB und xBref ermittelten Abweichungen entsprechen kann, welche gegebenenfalls
auch quadriert werden können.
In diesem Fall könnte
auf die Abfrage im Block 66 und die davon abhängigen Blöcke 72 und 74 verzichtet
werden.
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Oben wurde das Verfahren zur Überprüfung des
Drucksensors nur für
einen Drucksensor 32 des Zylinders 12 angegeben.
Es versteht sich, dass bei einer mehrzylindrigen Srennkraftmaschine
auch für
die Drucksensoren der anderen Zylinder eine entsprechende Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird.
Die Plausibilitätsprüfung kann
in regelmäßigen zeitlichen
Abständen
erfolgen oder beispielsweise jedes Mal dann, wenn die Brennkraftmaschine 10 gerade
in einem bestimmten Betriebspunkt, welcher üblicherweise durch die Drehzahl,
die Luftfüllung,
die Menge des eingespritzten Kraftstoffes, und den Zündwinkel
beschrieben wird, betrieben wird.
