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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle
einer Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen
weisen eine Kurbelwelle auf, welche über Zylinder der Brennkraftmaschine
mittels Kolben und mit diesen gekoppelten Pleuelstangen angetrieben
wird. Die Kurbelwelle gibt abtriebsseitig, vorzugsweise an einer
Kupplung, ein Drehmoment ab, das zum Antrieb eines Fahrzeugs dient,
in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Brennkraftmaschinen
haben in der Regel zumindest eine Nockenwelle, die Gaswechselventile der
Brennkraftmaschine oder auch eine Hochdruckpumpe einer Kraftstoffzuführeinrichtung
antreiben. Auf der Nockenwelle sind Nocken ausgebildet, die auf
die Gaswechselventile einwirken und so den Hubverlauf der Gaswechselventile
bestimmen. Die Nockenwelle ist mittels eines Übertragers, der in der Regel
Zahnräder
und eine Kette umfasst, mit der Kurbelwelle gekoppelt.
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Die
Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle hat entscheidenden
Einfluss auf den Verbrennungsprozess in den Zylindern der Brennkraftmaschine
und somit auch auf die von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase.
So hängt
die pro Arbeitsspiel eines Zylinders einströmende Menge an Fluid ab von
der Phasenlage der Kurbelwelle zu der Nockenwelle. Eine genaue Kenntnis
der Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle ist
somit Voraussetzung für
ein präzises
Ermitteln einer den Brennräumen
zuzumessenden Kraftstoffmasse oder auch der Auswahl eines Zündzeitpunktes.
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Brennkraftmaschinen
haben einen Kurbelwellenwinkelsensor, der den Kurbelwellenwinkel
erfasst. Ferner haben Brennkraftmaschinen regelmäßig einen Nockenwellenwinkelsensor,
der den Nockenwellenwinkel erfasst. Aus dem erfassten Kurbelwellenwinkel
und dem erfassten Nockenwellenwinkel lässt sich die Phasenlage der
Brennkraftmaschine bestimmen. Mögliche
fehlerhafte Anordnungen des Nockenwellenwinkelsensors oder sonstige
Fehler des Nockenwellenwinkelsensors können jedoch zu einem fehlerhaften
Ermitteln der Phasenlage führen.
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Aus
der
DE 196 38 010
A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Winkellage einer
Kurbelwelle innerhalb eines Arbeitsspiels einer Brennkraftmaschine
bekannt. Dazu wird während
des Auftretens einer Bezugsmarke der Kurbelwelle das Ausgangssignal eines
Saugrohrdrucksensors ausgewertet. Es erfolgt dann abhängig von
dem Ausgangssignal eine Zuordnung, ob sich die Kurbelwelle innerhalb
einer ersten oder einer zweiten Umdrehung des jeweiligen Arbeitsspiels
befindet. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass sich der Verlauf
des Saugrohrdrucks in der ersten Umdrehung der Kurbelwelle in charakteristischer
Weise von den Verläufen
in der zweiten Kurbelwellenumdrehung unterscheidet.
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Aus
der
DE 101 16 485
A1 ist es bekannt, dass aus einem von einem Drucksensor
erfassten Saugrohrdruck ein Nockenwellensignal rechnerisch nachgebildet
werden kann.
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Immer
strengere gesetzliche Emissionsvorschriften machen es erforderlich,
die Phasenlage zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle zuverlässig und
präzise
zu erfassen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ermitteln einer Phasenlage zwischen einer Kurbelwelle und einer
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das bzw. die gegenüber dem
genannten Stand der Technik vereinfacht ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Eine
Brennkraftmaschine hat eine Kurbelwelle, eine Nockenwelle, mindestens
einen Zylinder und einen Ansaugtrakt, dem mindestens ein Gaseinlassventil
zugeordnet ist, das die Gaszufuhr von dem Ansaugtrakt in den oder
die Zylinder steuert und die über
die Nockenwelle angetrieben werden. Dem Ansaugtrakt ist ein Drucksensor
zugeordnet, der einen Saugrohrdruck in einem Sammler des Ansaugtrakts erfasst.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass nach dem Öffnen eines
Gaseinlassventils der Saugrohrdruck abfällt oder nach einem Schließen des
Gaseinlassventils der Saugrohrdruck ansteigt. Die Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, dass ein Korrekturwert abhängig von einer Lastgröße und der Drehzahl
ermittelt wird, und die Phasenlage abhängig von dem erfassten Saugrohrdruck
und dem Korrekturwert ermittelt wird.
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Dies
hat den Vorteil, dass ein ohnehin regelmäßig vorhandener Saugrohrdrucksensor
genutzt werden kann. Es kann so gegebenenfalls auch auf einen eigenen
Nockenwellenwinkelsensor verzichtet werden, was unter Kostengesichtspunkten
für die Brennkraftmaschine
vorteilhaft ist. Darüber
hinaus kann die so ermittelte Phasenlage auch mit einer Phasenlage
plausibilisiert werden, welche abhängig von dem Nockenwellenwinkel
ermittelt wird, welcher durch den Nockenwellenwinkelsensor erfasst
wird. So können
dann Fehler des Nockenwellenwinkelsensors sehr schnell erkannt werden
und entsprechende Notlaufmaßnahmen
in der Brennkraftmaschine eingeleitet werden.
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Durch
den Korrekturwert kann einfach berücksichtigt werden, dass abhängig von
dem jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine mittels des Auswertens
des Saugrohrdrucks ein unterschiedlicher Punkt im Hubverlauf des
jeweiligen Gaswechselventils erkannt wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Phasenlage
abhängig
von einem Kurbelwellenwinkel ermittelt, an dem der Saugrohrdruck
einen vorgegebenen Schwellenwert des Saugrohrdrucks über- oder
unterschreitet. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass es besonders
einfach ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Phasenlage abhängig
von einem Kurbelwellenwinkel ermittelt, bei dem die zeitliche Ableitung
des Saugrohrdrucks einen vorgegebenen Schwellenwert der zeitlichen
Ableitung des Saugrohrdrucks über-
oder unterschreitet. Dies hat den Vorteil, dass die Phasenlage präzise ermittelt werden
kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Phasenlage abhängig
von einem Kurbelwellenwinkel ermittelt, bei dem ein Extremum der
zeitlichen Ableitung des Saugrohrdrucks erreicht wird. Dies hat
den Vorteil, dass die Phasenlage sehr präzise ermittelt werden kann.
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In
einer weiterer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Extremum ein Minimum. Dies hat den Vorteil, dass ein Minimum der
zeitlichen Ableitung des Saugrohrdrucks charakteristisch ist für einen
steigenden Hub des Gaseinlassventils und insbesondere für den Hubbeginn
des Einlassventils.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Extremum ein Maximum. Dies hat den Vorteil, dass das Maximum der
zeitlichen Ableitung des Saugrohrdrucks charakteristisch ist für einen
sinkenden Hub des Gaseinlassventils und insbesondere für das Hubende
des Gaseinlassventils.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird die
Phasenlage nur innerhalb eines vorgegebenen Kurbelwellenwinkelbereichs
ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren mit wenig Rechenaufwand
durchgeführt
werden kann.
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Als
Lastgröße wird
vorteilhaft der Saugrohrdruck oder der Luftmassenstrom gewählt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der
Korrekturwert zusätzlich
abhängig
von der Ansauglufttemperatur ermittelt. Dadurch können durch
die Temperatur der Ansaugluft bedingte Einflüsse auf das Messsignal des
Saugrohrdrucksensors berücksichtigt
werden, die sich beispielsweise durch eine Drift des Sensorsignals
oder eine veränderte
Empfindlichkeit des Saugrohrdrucksensors auswirken können.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung, in der eine Phasenlage
zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine
ermittelt wird,
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2 eine
weitere Ansicht von Teilen der Brennkraftmaschine gemäß 1,
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Programms zum Ermitteln der Phasenlage,
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4 ein
weiteres Ablaufdiagramm eines weiteren Programms zum Ermitteln der
Phasenlage und
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5 ein
Beispiel für
den zeitlichen Verlauf des Saugrohrdrucks MAP und des Hubverlaufs
der Gaswechselventile.
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Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1,
einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen
Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt umfasst vorzugsweise eine
Drosselklappe 11, ferner einen Sammler 12 und
ein Saugrohr 13, das hin zu einem Zylinder Z1 über einen
Einlasskanal in den Motorblock geführt ist. Der Motorblock umfasst
ferner eine Kurbelwelle 21, welche über eine Pleuelstange 25 mit
dem Kolben 24 des Zylinders Z1 gekoppelt ist.
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Der
Zylinderkopf umfasst einen Ventiltrieb mit einem Einlassventil 30,
einem Auslassventil 31 und Ventilantrieben 32, 33.
Der Antrieb des Gaseinlassventils 30 und des Gasauslassventils 31 erfolgt dabei
mittels einer Nockenwelle 36 (siehe 2), auf der
Nocken 39 ausgebildet sind, die auf das Gaseinlassventil 30 bzw.
das Gasauslassventil 31 einwirken, oder gegebenenfalls
mittels zweier Nockenwellen, wobei je eine dem Gaseinlassventil 30 und
dem Gasauslassventil 31 zugeordnet ist.
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Der
Antrieb für
das Gaseinlassventil 30 und/oder das Gasauslassventil 31 umfasst
vorzugsweise neben der Nockenwelle 36 eine Verstelleinrichtung 37,
die einerseits mit der Nocken welle 36 und andererseits
mit der Kurbelwelle 21 gekoppelt ist, z. B. über Zahnkränze, die über eine
Kette miteinander gekoppelt sind. Mittels der Verstelleinrichtung 37 kann
die Phase zwischen der Kurbelwelle 21 und der Nockenwelle 36 verstellt
werden. Die Anordnung der Zahnkränze
und der Kette bildet einen Übertrager.
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Der
Zylinderkopf 3 (1) umfasst ferner ein Einspritzventil 34 und
eine Zündkerze 35.
Alternativ kann das Einspritzventil auch in dem Ansaugkanal angeordnet
sein.
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Ferner
ist eine Steuereinrichtung 6 vorgesehen, der Sensoren zugeordnet
sind, die verschiedene Messgrößen erfassen
und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt
abhängig
von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die
dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder
mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden.
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Die
Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 71, welcher die Stellung
eines Fahrpedals erfasst, ein Luftmassenmesser 14, welcher
einen Luftmassenstrom MAF stromaufwärts der Drosselklappe 11 erfasst,
ein Temperatursensor 15, welcher die Ansauglufttemperatur
T_IM erfasst, ein Drucksensor 16, welcher den Saugrohrdruck
MAP erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 22, welcher einen
Kurbelwellenwinkel CRK erfasst und abhängig von dem erfassten Kurbelwellenwinkel
CRK eine Drehzahl N der Kurbelwelle 21 ermittelt, ein weiterer
Temperatursensor 23, welcher eine Kühlmitteltemperatur erfasst,
und ein Nockenwellenwinkelsensor 36a, welcher den Nockenwellenwinkel
CAM erfasst. Je nach Ausführungsform
der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren
oder auch zusätzliche
Sensoren vorhanden sein.
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Die
Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 11,
die Gaseinlass- und Gasauslassventile 30, 31,
das Einspritzventil 34, die Zündkerze 35 und die
Verstelleinrichtung 37.
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Neben
dem detailliert dargestellten Zylinder Z1 sind in der Brennkraftmaschine
in der Regel noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorhanden, denen dann entsprechende
Saugrohre, Abgaskanäle
und Stellglieder zugeordnet sind.
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Die
Steuereinrichtung umfasst eine Phasenlage-Einheit, in der die Phasenlage
zwischen der Kurbelwelle 21 und der Nockenwelle 36 ermittelt wird.
Dazu ist in der Steuereinrichtung ein Programm gespeichert, das
während
des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet wird.
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Das
Programm (3) wird in einem Schritt S1
gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
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In
einem Schritt S2 wird geprüft,
ob der Kurbelwellenwinkel CRK größer einem
ersten Kurbelwellenwinkel CRK1 ist. Ist dies nicht der Fall, so
verharrt das Programm in einem Schritt S3 für eine vorgegebene Wartezeitdauer
T_W, bevor die Bedingung des Schrittes S2 erneut geprüft wird.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S2 hingegen erfüllt, so wird in einem Schritt
S4 geprüft,
ob der Kurbelwellenwinkel CRK kleiner ist als ein zweiter Kurbelwellenwinkel
CRK2. Ist dies nicht der Fall, so verharrt das Programm für die vorgegebene
Wartezeitdauer T_W in dem Schritt S3. Sind hingegen die Bedingungen
der Schritte S2 und S4 erfüllt,
so befindet sich die Kurbelwelle innerhalb des durch den ersten Kurbelwellenwinkel
CRK1 und dem zweiten Kurbelwellenwinkel CRK2 vorgegebenen Bereichs,
der bevorzugt so gewählt
ist, dass innerhalb dieses Kurbelwellenwinkelbereichs der zu ermittelnde
charakteristische Hubpunkt des Gaseinlassventils 30 liegt.
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In
einem Schritt S5 wird anschließend
die zeitliche Ableitung DT_MAP des Saugrohrdrucks ermittelt und
zwar vorzugsweise über
den durch den ersten Kurbelwellenwinkel CRK1 und den zweiten Kurbelwellenwinkel
CRK2 vorgegebenen Kurbelwellenwinkelbereich.
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In
einem Schritt S6 wird dann das Minimum DT_MAP_MIN der zeitlichen
Ableitung DT_MAP des Saugrohrdrucks ermittelt.
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In
einem Schritt S7 wird einem Saugrohrdruck-abhängigen Kurbelwellenwinkel CRK_MAP der
Kurbelwellenwinkel CRK zugeordnet, bei dem die zeitliche Ableitung
DT_MAP des Saugrohrdrucks das Minimum DT_MAP_MIN eingenommen hat.
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In
einem Schritt S9 wird die Phasenlage PH_MAP abhängig von dem Saugrohrdruck-abhängigen Kurbelwellenwinkel
CRK_MAP einem Referenz-Kurbelwellenwinkel CRK_REF und einer Referenz-Phasenlage PH_REF
ermittelt. Der Referenz-Kurbelwellenwinkel CRK_REF ist vorzugsweise fest
vorgegeben und kann beispielsweise der Beginn eines ersten Zahns
nach einer Lücke
des Kurbelwellenwinkelgebers ausgebildet sein.
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Die
Referenz-Phasenlage PH_REF ist die Phasenlage, die zwischen der
Kurbelwelle 21 und der Nockenwelle 36 eingenommen
wird unter vorgegebenen Referenzbedingungen, so zum Beispiel eine
vorgegebene Einbaulage zwischen der Kurbelwelle 21 und
der Nockenwelle 36 beispielsweise beim Endtest der Brennkraftmaschine
nach ihrer Herstellung.
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In
einem Schritt S11 wird dann das Programm beendet.
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Bevorzugt
wird nach dem Schritt S7 ein Schritt S16 durchgeführt, in
dem ein Korrekturwert COR abhängig
von der Drehzahl N und einer Lastgröße, wie vorzugsweise dem Luftmassenstrom
MAF oder dem Saugrohrdruck MAP, und gegebenenfalls der Ansauglufttemperatur
T_IM ermittelt wird. Durch den Korrekturwert COR kann so berücksichtigt
werden, dass der Saugrohrdruck-abhängige Kurbelwellenwinkel CRK_MAP
abhängig
von dem jeweiligen Lastpunkt, an dem die Brennkraftmaschine betrieben wird
verschiedene Stellen des Hubverlaufs des Gaseinlassven tils charakterisiert.
So charakterisiert der Saugrohrabhängige Kurbelwellenwinkel CRK_MAP beispielsweise
bei niedrigen Lasten den Hubbeginn des Gaseinlassventils 30,
während
er bei hohen Lasten das Hubmaximum des Gaseinlassventils charakterisiert.
Der Korrekturwert COR wird dabei vorzugsweise mittels Kennfeldinterpolation
aus einem Kennfeld ermittelt, das vorab durch Versuche oder Simulationen
der Brennkraftmaschine ermittelt wurde. Der nachfolgende Schritt
S17 entspricht dem Schritt S9 mit dem Zusatz, dass hier die Phasenlage
PH_MAP zusätzlich
abhängig
von dem Korrekturwert COR ermittelt wird.
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Alternativ
zu den Schritten S6 und S7 können
auch die Schritte S13 und S14 ausgeführt werden. Dem Schritt S13
wird ein Maximum DT_MAP_MAX der zeitlichen Ableitung DT_MAP des
Saugrohrdrucks abhängig
von der zeitlichen Ableitung DT_MAP des Saugrohrdrucks ermittelt.
In dem Schritt S14 wird dann der Saugrohrdruck-abhängige Kurbelwellenwinkel
CRK_MAP abhängig von
dem Kurbelwellenwinkel CRK ermittelt, der dem Maximum DT_MAP_MAX
der zeitlichen Ableitung des Saugrohrdrucks zugeordnet ist.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform
eines Programms zum Ermitteln der Phasenlage PH_MAP wird im folgenden
anhand des Ablaufdiagramms gemäß 4 beschrieben.
Falls die Bedingung des Schrittes S4 (siehe auch 3)
erfüllt
ist, so wird in einem Schritt S20 die zeitliche Ableitung DT_MAP
des Saugrohrdrucks ermittelt.
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In
einem Schritt S21 wird geprüft,
ob die aktuelle zeitliche Ableitung des Saugrohrdrucks DT_MAP größer ist
als ein vorgegebener Schwellenwert DT_MAP_THR der zeitlichen Ableitung
des Saugrohrdrucks. Alternativ kann in dem Schritt S21 auch geprüft werden,
ob die zeitliche Ableitung DT_MAP des Saugrohrdrucks kleiner ist
als der Schwellenwert DT_MAP_THR. Welche der Bedingungen geprüft wird
ist davon abhängig,
ob auf den Hubbeginn oder das Hubende des Gaseinlassventils 30 erkannt
werden soll.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S21 nicht erfüllt, so verharrt das Programm
für die
vorgegebene Wartezeitdauer T_W in dem Schritt S3. Ist die Bedingung
des Schrittes S21 hingegen erfüllt,
so wird in einem Schritt S22 dem Saugrohrdruckabhängigen Kurbelwellenwinkel
CRK_MAP der Kurbelwellenwinkel CRK zugeordnet, der der aktuellen
zeitlichen Ableitung DT_MAP des Saugrohrdrucks zugeordnet ist. Anschließend werden
die Schritte S9 oder S16 und S17 entsprechend dem Ablaufdiagramm
gemäß 3 abgearbeitet.
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Alternativ
zu den Schritten S20, S21 und S22 können auch die Schritte S22,
S26 und S28 abgearbeitet werden. In einem Schritt S24 wird ein Schwellenwert
MAP_THR des Saugrohrdrucks abhängig von
der Drehzahl N und einer Lastgröße, die
bevorzugt der Luftmassenstrom oder der Saugrohrdruck MAP ist, ermittelt
und zwar bevorzugt mittels Kennfeldinterpolation.
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In
dem Schritt S26 wird dann entweder geprüft, ob der aktuelle Saugrohrdruck
MAP kleiner ist als der Schwellenwert MAP_THR des Saugrohrdrucks
oder, ob er größer ist
als der Schwellenwert MAP_THR des Saugrohrdrucks. Welche der Bedingungen
im Schritt S26 geprüft
wird hängt
wie entsprechend Schritt S21 davon ab, ob auf einen Hubbeginn des
Gaseinlassventils 30 oder auf ein Hubende des Gaseinlassventils 30 erkannt
werden soll. Ist die Bedingung des Schrittes S26 nicht erfüllt, so
verharrt das Programm für
die vorgegebene Wartezeitdauer T_W in dem Schritt S3.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S26 erfüllt, so wird in einem Schritt
S28 dem Saugrohrdruck-abhängigen
Kurbelwellenwinkel CRK_MAP der Kurbelwellenwinkel CRK zugeordnet,
der dem aktuellen Saugrohrdruck MAP zugeordnet ist.
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In 5 ist
der Verlauf des Saugrohrdrucks MAP und der Hubverlauf 91 des
Gasauslassventils 31 und der Hubverlauf 92 des
Gaseinlassventils 30 dargestellt. Ferner sind mögliche Hubverläufe 93, 94 des
Gaseinlassventils 31 dargestellt, die sich bei entsprechenden
Fertigungstoleranzen oder Auslegungsänderungen der Brennkraftmaschine
ergeben können.