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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Steuern der einer Brennkraftmaschine
zuzuführenden
Kraftstoffmenge abhängig
von Betriebskenngrößen wie
Druck im Ansaugrohr, Drehzahl, Brennkraftmaschinen- und Ansaugluftemperatur
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 44 44 416 A1 betrifft
ein „Verfahren zur
Beeinflussung der Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine”. Dort
geht es darum, einen Korrekturfaktor im Rahmen der Kraftstoffzumessung
zu bilden, bei dem die Werte der Ansaugluft- sowie der Brennkraftmaschinentemperatur
zur Bildung von Größen herangezogen
werden, die den Wärmestrom zum
Ansaugtrakt hin bzw. vom Ansaugtrakt weg beschreiben. Dies erfolgt
mit Blick auf das Wandfilmverhalten, das die Ablagerung von Kraftstoff
an den Innenwänden
des Ansaugluftrohres beschreibt, mit Blick auf das den Brennräumen zugeführte Luft/Kraftstoffgemisch
vor allem im instationären
Betrieb der Brennkraftmaschine.
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Die
EP 0 482 048 B1 betrifft
ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei ein
Korrekturfaktor zur Korrektur eines Kraftstoffbasiswertes gebildet
wird. Dieser Korrekturfaktor wird einem Kennfeld entnommen, dessen
Eingangsgrößen die angesaugte
Luftmasse sowie die Differenz der Temperaturwerte von Ansaugluft
und Kühlwasser
ist.
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Ferner
offenbart die
EP 0
264 332 A1 eine temperaturabhängige Korrektur für die Kraftstoffzumessung
auf der Basis der Differenz von Kühlmittel- und Ansauglufttemperatur,
wobei diese Differenz mit einem drehzahl- und lastabhängigen Wert
multiplizierbar ist.
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Es
hat sich nun gezeigt, daß die
bestehenden System nicht in jedem Fall zufriedenstellende Ergebnisse
zu liefern vermögen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Einrichtungen zum Steuern
der einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Kraftstoffmenge weitgehend
zu optimieren.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Dabei
wird von folgenden Überlegungen ausgegangen:
Bei
Brennkraftmaschinensteuerungen mit Saugrohrdrucksensoren zur Lasterfassung
wird in der Regel unter Standardbedingungen, d. h. bei betriebswarmer
Maschine und 20°C
Umgebungstemperatur, die Grundeinspritzzeit in Abhängigkeit
von Saugrohrdruck und Drehzahl festgelegt.
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Wenn
Brennkraftmaschinen- oder Ansauglufttemperatur von diesen Standardbedingungen
abweichen, so ändert
sich auch die Temperatur der in den Brennraum angesaugten Luft,
damit ihre Dichte und somit die angesaugte Luftmasse. Um ein gewünschtes
Luft-/Kraftstoffverhältnis
beizubehalten, muß die
eingespritzte Kraftstoffmenge folglich in Abhängigkeit von Ansaug- und Brennkraftmaschinentemperatur
korrigiert werden.
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Der
nötige
Korrekturfaktor ist umgekehrt proportional zur absoluten Gastemperatur
im Brennraum am Ende des Ansaugvorganges. Da sich das einströmende Gas
an den heißen
Brennraumwänden erwärmt, liegt
diese je nach Betriebspunkt irgendwo zwischen der Gastemperatur
vor den Einlaßventilen und
der mittleren Oberflächentemperatur
im Brennraum. Diese wiederum kann als Summe von Kühlmitteltemperatur
(TMOT) und dem betriebspunktabhängigen
Temperaturabfall über
der Brennraumwand dargestellt werden.
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Bei
niederen Drehzahlen steht relativ viel Zeit für den Wärmeaustausch zwischen Gas-
und Brennraumwand zur Verfügung.
Wenn gleichzeitig die Last und damit die Gasmasse klein ist, kann
sich die Gastemperatur weitgehend der mittleren Oberflächentemperatur
im Brennraum annähern.
Der Einfluß der
Gastemperatur vor den Einlaßventilen
auf die Füllungstemperatur
am Ende des Ansaugvorganges ist dann gering, der der Brennkraftmaschinentemperatur
hoch. Umgekehrt ist bei hoher Drehzahl und hoher Last der Einfluß der Brennkraftmaschinentemperatur
gering, der der Gastemperatur vor den Einlaßventilen dagegen hoch. Demzufolge
wirkt sich eine Änderung
der Brennkraftmaschinentemperatur besonders bei niederen Drehzahlen
und kleiner Last auf die angesaugte Luftmasse aus, eine Änderung der
Gastemperatur vor den Einlaßventilen
dagegen besonders bei hoher Last und Drehzahl.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht
es, diese Abhängigkeiten
bei der Berechnung des Korrekturfaktors zu nutzen, was dadurch erreicht
wird, daß die
Einflüsse von
Ansaugluft- und Brennkraftmaschinentemperatur auf die Lasterfassung
getrennt betriebspunktabhängig
gewichtet werden. Diese Wichtung kann sich dabei auf die Abweichungen
der jeweiligen Temperaturen gegenüber ihrem Wert bei Standardbedingungen oder
auf ihren absoluten Wert beziehen. Eingangsgrößen für diese neuen Temperaturkompensationen sind:
- – die
Ansauglufttemperatur vor den Einlaßventilen,
- – die
aktuelle Brennkraftmaschinentemperatur,
- – zur
Beschreibung des aktuellen Betriebspunktes entweder die Drehzahl
und eine Lastgröße (Saugrohrdruck,
Drosselklappenstellung oder unkorrigierte Grundeinspritzzeit) oder
ein von dem angesaugten Luftmassenstrom abgeleitetes Signal.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine Übersichtsdarstellung
einer Einrichtung zum Steuern der einer Brennkraftmaschine zuzuführenden
Kraftstoffmenge abhängig
von Betriebskenngrößen,
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2 ein
erstes Beispiel für
die Bestimmung eines Korrekturfaktors, wobei jeweils die Temperaturabweichungen
gegenüber
den Standardbedingungen gewichtet werden und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
mit einer Gewichtung der absoluten Temperaturen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
in einer Übersichtsdarstellung die
Grundstruktur einer Einrichtung zum Steuern der einer Brennkraftmaschine
zuzuführenden
Kraftstoffmenge abhängig
von Betriebskenngrößen. Dabei
ist mit 10 ein Lasterfassungsblock bezeichnet, der abhängig von
den Eingangssignalen für
Drehzahl (n) und Saugrohrdruck (p) ein Lastsignal bildet. An einer nachfolgenden
Multiplikationsstelle 11 wird dieses Lastsignal mit einem
Korrekturfaktor Fkorr multipliziert. Dieser Korrekturfaktor entstammt
einem Block 12 für
die Temperaturkompensation abhängig
von der Ansaugluftemperatur Tans sowie der Brennkraftmaschinentemperatur
Tmot. Das mittels des Korrekturfaktors Fkorr korrigierte Lastsignal
erfährt
in einem nachfolgenden Block 14 weitere und an sich bekannte
Korrekturen und dieser Block 14 gibt letztlich ein Einspritzzeitsignal
ti aus.
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Die
aus 1 ersichtliche Grundstruktur bei der Bildung von
Einspritzzeitsignalen ist als solche bekannt und belegt das Erfordernis
der temperaturabhängigen
Korrektur eines Lastsignals, das ausgehend vom Druck im Ansaugrohr
einer Brennkraftmaschine gebildet wird. Die Art der Korrekturfaktorbildung
wurde auch in der Literatur bereits vielfach abgehandelt, was sich
beispielshaft auch aus den eingangs genannten Literaturstellen ergibt.
Die in den nachfolgenden 2 und 3 angegebenen
Möglichkeiten
haben sich insgesamt gesehen als besonders geeignet erwiesen.
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2 zeigt
ein erstes Beispiel bei der Bildung des Korrekturfaktors Fkorr.
Block 15 steht für
einen Sensor für
die aktuelle Ansauglufttemperatur Tansakt. Entsprechend ist mit 16 ein
Sensor für
die aktuelle Brennkraftmaschinentemperatur Tmotakt bezeichnet. Block 17 gibt
ein Ausgangssignal ab, das einer standardisierten Ansauglufttemperatur
Tansst entspricht. Eine Differenzbildungsstelle 18 dient
dazu, vom Wert der aktuellen Ansauglufttemperatur Tansakt den Wert
der standardisierten Ansauglufttemperatur Tansst abzuziehen. Es
folgt eine Multiplikationsstelle 19, in der das Ausgangssignal
der Differenzbildungsstelle 18 mit einem Wichtungsfaktor
F1 für
die Ansauglufttemperatur ausgehend von einem Kennfeld 20 multipliziert
wird, wobei Eingangsgrößen dieses
Kennfeldes 20 Signalwerte bzgl. Drehzahl und Last sind.
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Mit 22 ist
ein Block bezeichnet, der ausgangsseitig ein Signal bzgl. einer
standardisierten Brennkraftmaschinentemperatur Tmotst abgibt. Dieser
Signalwert für
die standardisierte Brennkraftmaschinentemperatur wird in einer
nachfolgenden Differenzbildungsstelle 23 von der aktuellen
Brennkraftmaschinentemperatur Tmotakt abgezogen und nachfolgend
in einer Multiplikationsstelle 24 mit einem Wichtungsfaktor
F2 für
die Brennkraftmaschinentemperatur multipliziert. Dabei entstammt
der Wichtungsfaktor F2 einem weiteren Kennfeld 25, dessen
Eingangsgrößen ebenfalls
Drehzahl und Last sind. Die Ausgangssignale der beiden Mulitplikationsstellen 19 und 24 werden
zu einer Additionsstelle 26 geführt, dessen Ausgangssignal
in einer weiteren Additionsstelle 27 um einen Wert bzgl.
einer typischen Gastemperatur im Brennraum am Ende eines Ansaugtaktes
erhöht
wird. Der Wert für
diese typische Gastemperatur entstammt dabei einem Block 28,
dessen Ausgangssignal sowohl der Additionsstelle 27 als auch
einer Divisionsstelle 29 zugeführt wird, die wiederum den
Quotienten vom Wert aus Block 28 (typische Gastemperatur
im Brennraum am Ende eines Ansaugtaktes) und des Ausgangssignales
der Additionsstelle 27 bildet und letztlich den Korrekturfaktor Fkorr
bereitstellt.
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Hauptmerkmal
des Gegenstandes von 2 ist es, daß die aktuellen Werte von Ansauglufttemperatur
und Brennkraftmaschinentemperatur jeweils auf Standardwerte bezogen
werden, die diese bezogenen Werte ihrerseits wieder eine getrennte Wichtung
mit Faktoren F1 und F2 erfahren, wobei diese Wichtungsfaktoren drehzahl-
und lastabhängig Kennfeldern
entstammen. Die Summe dieser gewichteten Werte wird anschließend mit
der typischen Gastemperatur im Brennraum am Ende eines Ansaugtaktes
in Beziehung gesetzt und daraus der Korrekturfaktor gebildet. Formelmäßig ausgedrückt ergibt
sich dann der Korrekturfaktor Fkorr zu: Fkorr
= Gastemp./(Gastemp + A + B)mit
typ. Gastemp. A = F1(n, L)·(Tansakt – Tansst) B
= F2(n, L)·(Tmotakt – Tmotst)
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Eine
Alternative zum Gegenstand von 2 kann in
soweit gegeben sein, als nicht zwangsläufig beide Temperaturwerte
für die
Ansauglufttemperatur sowie die Brennkraftmaschinentemperatur auf
Standardwerte bezogen und anschließend gewichtet sein müssen, sondern
auch einer dieser beiden Temperaturwerte dieser Prozedur unterzogen
werden können.
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Weiterhin
ist es wichtig, daß die
aktuelle Ansauglufttemperatur möglichst
die Temperatur unmittelbar vor den Einlaßventilen der Brennkraftmaschine wiederspiegelt.
Sollte die Ansauglufttemperatur aufgrund eines anderen Einbauortes
des entsprechenden Sensors nicht an dieser Stelle unmittelbar vor den
Einlaßventilen
abgefragt werden, dann sollte sie mittels eines Modells aus weiter
stromaufwärts
gewonnenen Temperaturwerten gebildet werden. Dabei muß das Modell
die Erwärmung
der Ansaugluft im warmen Saugrohr und ggf. die zusätzliche
Erwärmung
durch externe Abgasrückführung berücksichtigen.
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Bei
der Wahl der Wichtungsfaktoren F1 und F2 kann es je nach dem Einzelfall
zweckmäßig sein, sie
zueinander als Komplement des anderen zu Eins festzulegen.
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Als
typische Gastemperatur im Brennraum am Ende eines Ansaugtaktes hat
sich bei einem bestimmten Motorentyp ein Wert von 350°K (Ausgangssignal
des Blocks 28) ergeben.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Einrichtung,
wobei mit 2 übereinstimmende Größen und
Blöcke
mit den selben Buchstaben- und Zahlenkombinationen bezeichnet sind.
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In
einem Block 30 wird ein Wert bzgl. der betriebspunktabhängigen Temperaturdifferenz
TD über der
Brennraumwand bereitgestellt. Er gibt sein Ausgangssignal an je
eine Additionsstelle 31 und 32, an deren jeweiligem
anderen Eingang ein Signal bzgl. der standardisierten Brennkraftmaschinentemperatur
Tmotst sowie der aktuellen Brennkraftmaschinentemperatur Tmotakt
eingespeist wird. Ausgangsseitig steht die Additionsstelle 31 über eine
Multiplikationsstelle 33 sowie einer nachfolgenden Additionsstelle 34 mit
der Divisionsstelle 29 in Verbindung. Das Ausgangssignal
der Additionsstelle 32 hingegen gelangt über einen
Tiefpaß 36 zu
einer Multiplikationsstelle 37, die ihrerseits wiederum
ein Eingangssignal zu einer nachfolgenden Additionsstelle 38 vor
dem weiteren Eingang der Divisionsstelle 29 liefert. In
einem Block 40 wird ein betriebspunkt-abhängiger Wichtungsfaktor
W gebildet und als jeweils zweites Eingangssignal auf die Multiplikationsstellen 33 und 37 gegeben,
ferner als zu subtrahierende Größe auf eine
Subtraktionsstelle 42, deren zweiter Eingang eine Größe (im konkreten
Ausführungsbeispiel
= 1) von einem Block 43 zugeführt erhält. Sowohl die standardisierte
Ansauglufttemperatur Tansst (Block 17) als auch die aktuelle
Ansauglufttemperatur Tansakt (15) werden über je eine
Multiplikationsstelle 45 und 46 auf die Additionsstellen 34 und 38 geführt. Die zweiten
Eingänge
der Multiplikationsstellen 45 und 46 stehen dabei
mit dem Ausgangssignal der Subtraktionsstelle 42 in Verbindung.
Schließlich
erhält die
Divisionsstelle 29 als Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen der
Additionsstellen 34 und 38.
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Mit
der Anordnung von 3 ergibt sich formelmäßig der
Korrekturfaktor Fkorr zu: Fkorr = u/v mit u = Tansst·(1 – W) + W·(Tmotst
+ TD) v = Tansakt·(1 – W) + W·(Tmotakt + TD)gemittelt
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Zu
diesem formelmäßigen Ausdruck
gelangt man über
folgende physikalischen Überlegungen:
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3 zeigt
eine gegenüber 2 'physikalischere' Variante der beiden
Ausführungsbeispiele. Allerdings
sind ihre Parameter experimentell schwerer zu bestimmen.
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Für die pro
Hub angesaugte Luftmasse gilt mit der allgemeinen Gasgleichung: ml = Vzyl·pB/(R·TF)
mit
- ml:
- pro Hub angesaugte
Luftmasse
- Vzyl:
- effektives Hubvolumen
eines Zylinders (nach Abzug des Restgasvolumens)
- pB:
- Druck im Brennraum
am Ende des Ansaugvorgangs (beim Schließen des Einlaßventils)
- R:
- allgemeine Gaskonstante
- TF:
- Füllungstemperatur im Brennraum
am Ende des Ansaugvorgangs
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Das
effektive Hubvolumen und der Druck sind in erster Näherung temperatur-unabhängig, die Luftmasse
ist somit direkt proportional zum Kehrwert der absoluten Temperatur.
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Der
nötige
Temperaturkompensationsfaktor ist somit das Verhältnis aus Füllungstemperatur bei Standardbedingungen
zur aktuellen Füllungstemperatur
(im obengenannten Beispiel von 3 der Quotient
u/v).
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Für die Berechnung
der Luftmasse ist die Gastemperatur im Brennraum am Ende des Ansaugvorgangs
zu verwenden, die jedoch nicht direkt gemessen werden kann. Sie
ist auf jeden Fall höher
als die Temperatur vor den Einlaßventilen, da sich die einströmende Luft
an den heißen
Zylinderwänden
erwärmt,
aber niedriger als die Brennraumoberflächentemperatur.
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Formelmäßig läßt sich
das wie folgt darstellen: TF = Tans + W·(Tzober – Tans)bzw.: TF = Tans·(1 – W) + W·Tzober
- TF:
- Füllungstemperatur im Brennraum
am Ende des Ansaugvorgangs
- Tans:
- Temperatur der Luft
vor den Einlaßventilen
- W:
- betriebspunktabhängiger Wichtungsfaktor,
Bereich 0–1
- Tzober:
- mittlere Oberflächentemperatur
im Brennraum
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Da
die Oberflächentemperatur
im Brennraum nicht an allen Stellen gleich ist, ist eine mittlere Oberflächentemperatur
einzusetzen. Sie kann dargestellt werden als Summe aus Kühlwasser-
bzw. Brennkraftmaschinentemperatur Tmot und der Temperaturdifferenz über der
Brennraumwand TD: Tzober = Tmot + TD
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Die
Brennkraftmaschinentemperatur Tmot wird in jedem Steuergerät für die Brennkraftmaschine erfaßt. Das
Temperaturgefälle
TD über
bzw. innerhalb der Brennraumwand hängt im wesentlichen nur vom
Betriebspunkt ab, und kann daher in einem Kennfeld abgelegt werden.
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Bei
schnellen Änderungen
des Betriebspunkts bleibt die Brennkraftmaschinentemperatur praktisch
konstant, das Temperaturgefälle
in der Brennraumwand hat eine thermische Zeitkonstante von einigen
Sekunden. Zur Berücksichtigung
dieser Trägheit
dient der eingezeichnete Tiefpaß.
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Stationär gilt für den Korrekturfaktor: Fkorr = [(Tansst·(1 – W) + (Tmot + TD)·W]/[TANS·(1 – W) + (Tmot
+ TD)·W]
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Ausgehend
von dieser formelmäßigen Betrachtung
des Beispieles von 3 kommt man auf dasjenige von 2 über folgende Überlegungen:
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Die
obenstehende stationäre
Berechnungsformel läßt sich
mit Tans = Tansst + dTans und Tmot
= Tmotst + dTmotfolgendermaßen umformen: Fkorr
= [Tansst·(1 – W) + (Tmotst
+ TD)·W]/[dTans·(1 – W) + dTmot·W + Tansst·(1 – W) + (Tmotst
+ TD)·W]
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Der
Term der Standardfüllungstemperatur Tansst·(1 – W) + (Tmotst
+ TD)·W,der
in Zähler
und Nenner auftritt, liegt stets in der Größenordnung von etwa 350°K (je nach
Betriebstpunkt ca. 330°K–380°K), und ist
wesentlich größer als
der Term dTans·(1 – W) + dTmot·W,der
die Abweichung der aktuellen von der Standardfüllungstemperatur beschreibt,
und im Bereich von minus 60° bis
plus 20° liegt
(Winterkaltstarts ausgenommen). Daher sind die Fehler im Korrekturfaktor relativ
gering, wenn man die Standardfüllungstemperatur
durch einen festen Wert von ca. 350°K ersetzt: 350K
Fkorr
= [350°K]/[dTans·(1 – W) + dTmot·W + 350K°)
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Mit
F1 = (1 – W)
und F2 = W ergibt sich dann die Situation von 2.