DE4126182A1 - Elektronische steuereinrichtung fuer die kraftstoffeinspritzung bei einem verbrennungsmotor - Google Patents

Elektronische steuereinrichtung fuer die kraftstoffeinspritzung bei einem verbrennungsmotor

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor.
Bei einem herkömmlichen, elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotor wird die Kraftstoffeinspritzmenge durch das Ausgangssignal eines Luftdurchflußmessers in Verbindung mit der Motorumdrehungszahl gemessen. Bei einem Luftdurchflußmesser kann jedoch die Ansaugluftmenge nicht genau gemessen werden, da der Luftdurchflußmesser dem Einfluß von Ansaugluftpulsationen ausgesetzt ist, wenn das Drosselventil voll geöffnet ist. Weiter wird im Falle, daß der Motor mit einem Auflader versehen ist, der Meßbereich der Ansaugluftmenge für den Luftdurchflußmesser zu groß, um die Ansaugluftmenge über den gesamten Meßbereich genau zu messen. Darum muß die Meßgenauigkeit des Luftdurchflußmessers für die Ansaugluftmenge im Bereich niedriger Durchflußmengen und im Bereich hoher Durchflußmengen herabgesetzt werden. Die Folge ist, daß es bei einem Motor mit Auflader schwierig wird, im Bereich niedriger Durchflußmengen und im Bereich hoher Durchflußmengen das Luft-Kraftstoffverhältnis einer an einen Zylinder des Motors zu liefernden Mischung in genaue Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bringen. Selbst wenn der Motor keinen Auflader aufweist, ist es schwierig zu erreichen, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer an den Zylinder des Motors zu liefernden Mischung mit dem vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung gelangt, wenn das Drosselventil voll geöffnet ist.
Um dieses Problem zu lösen, wird gemäß der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. 2 21 433/1984 ein innerer Zylinderdrucksensor eingeführt, der den Druck im Zylinder direkt erfaßt. Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuerung erfolgt durch Berechnen der Kraftstoffeinspritzmenge, welche vom Kraftstoffeinspritzventil in den Zylinder eingespritzt wird, und zwar auf der Basis des Ausgangssignals des genannten inneren Zylinderdrucksensors.
Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau einer solchen konventionellen Einrichtung. Es bezeichnen die Bezugszeichen: 1 - einen Motor; 2 - einen Kolben; 3 - die Verbrennungskammer; 4 - das Ansaugluftventil; 5 - einen Ansaugluftstutzen; 6 - einen Puffertank; 7 - eine Zweigleitung, welche die jeweiligen Ansaugluftstutzen 5 der entsprechenden Zylinder und den Puffertank 6 miteinander verbindet; 8 - einen Ansaugluftkanal; 9 - ein Drosselventil, das im Ansaugluftkanal 8 installiert ist; 10 - ein Luftfilter; 11 - einen Wassertemperatursensor, der die Temperatur des Kühlwassers des Motors erfaßt; und 12 - ein Kraftstoffeinspritzventil, das in der Zweigleitung 7 montiert ist. Vom Kraftstoffeinspritzventil 12 wird Kraftstoff in den zugehörigen Einlaßstutzen eingespritzt. In der Verbrennungskammer 3 ist der innere Drucksensor 13 eingebaut, der den Zylinderinnendruck erfaßt.
Die elektronische Steuereinrichtung 20 besteht aus einem Digitalcomputer, der den Mikroprozessor (CPU) 22, den ROM 23, den RAM 24, den Eingangsport 25 und den Ausgangsport 26 umfaßt, die durch den bidirektionalen Bus 21 miteinander verbunden sind. Der Wassertemperatursensor 11 erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Temperatur des Kühlwassers des Motors proportional ist. Die Ausgangsspannung wird nach der Umwandlung in ein entsprechendes Binärsignal durch den A/D-Umsetzer 27 an den Eingangsport 25 geliefert. Der Zylinderinnendrucksensor 13 erzeugt eine Ausgangsspannung, die dem Druck in der Verbrennungskammer 3 proportional ist. Die Ausgangsspannung wird nach Umwandlung in einen Binärwert durch den A/D-Umsetzer 28 an den Eingangsport 25 geliefert. Der Kurbelwinkelsensor 29 erzeugt bei jedem einzelnen Kurbelwinkelgrad ein Ausgangsimpulssignal. Das Ausgangssignal wird an den Eingangsport 25 geliefert. Der Kurbelbezugspositionssensor 30 erzeugt das Bezugspositionsimpulssignal in dem Zeitpunkt, in dem das Einlaßluftventil 4 geschlossen wird und ein vorbestimmter Kurbelwinkel erreicht ist. Das Kurbelwinkelbezugspositionssignal wird dementsprechend jedesmal dann erzeugt, wenn der Kurbelwinkel 720° erreicht. Das Bezugspositionssignal wird an den Eingangsport 25 geliefert. Der Ausgangsport 26 ist mit dem Kraftstoffeinspritzventil 12 des jeweiligen Zylinders über die Treiberschaltungen 31 bis 34 verbunden. Kraftstoff wird im entsprechenden Zeittakt jedes Zylinders vom Kraftstoffeinspritzventil 12 jeweils alle 720 Kurbelwinkelgrade eingespritzt.
Als nächstes wird die Betriebsweise der Einrichtung beschrieben. Der Druck in der Verbrennungskammer 3 wird vom Zylinderinnendrucksensor 13 erfaßt. Die Kraftstoffeinspritzmenge wird durch das Ausgangssignal des Zylinderinnendrucksensors 13 gesteuert. Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge auf der Basis des Druckes in der Verbrennungskammer 3 bestimmt ist, wie oben gesagt, kann unabhängig vom Laufzustand des Motors stets die Mischung mit dem vorbestimmten Luft-Kraftstoffverhältnis in die Verbrennungskammer 3 eingespeist werden. Als nächstes wird dazu eine Erläuterung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 gegeben. Fig. 2 veranschaulicht die Druckänderung in der Verbrennungskammer 3 vom Kompressionshub bis zum Expansionshub, wenn die Ansaugluftmenge (g) konstant gehalten wird. Die voll ausgezogene Kurve veranschaulicht die Druckänderung im Verlaufe der Zündzeit, während die gestrichelte Kurve die Druckänderung während der motorischen Phase wiedergibt. Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Druckänderung während der Zündzeit und die Druckänderung während der motorischen Betriebsphase so lange gleich groß sind, bis der Kurbelwinkel den Punkt C erreicht. Der Kurbelwinkel C beträgt etwa 40° vor Erreichen des oberen Totpunktes. Demgegenüber veranschaulicht Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Zylinderinnendruck P in der Verbrennungskammer 3 beim Kurbelwinkel C und der Ansaugluftmenge Ga (g). Die Beziehung folgt einer linearen Gleichung. Sie wird während der motorischen Betriebsphase erhalten. Wenn die Ansaugluftmenge Ga konstant ist, sind der Druck P in der Motorbetriebsphase und der Druck in der Zündphase beim Kurbelwinkel C gleich groß. Daher ist die Beziehung in Fig. 3 auch im Zündzeitmaß dargestellt. Somit ist, wenn der Druck in der Verbrennungskammer 3 beim vorbestimmten Kurbelwinkel C gemessen wird, die Ansaugluftmenge Ga, die tatsächlich in die Verbrennungskammer 3 gesaugt wird, bekannt. Wenn daher die Kraftstoffeinspritzmenge auf der Basis des Druckes in der Verbrennungskammer 3 bestimmt wird, kann die der Ansaugluftmenge Ga proportionale Kraftstoffmenge eingespritzt werden.
Im Falle der wie oben beschrieben aufgebauten konventionellen Einrichtung ändert sich die in Fig. 3 dargestellte proportionale Beziehung mit der Änderung der Motorumdrehungszahl. Daher kann die Ansaugluftmenge nicht genau erfaßt werden. Weiter kann der Zylinderinnendruck vibrieren, wodurch die Ansaugluftmenge nicht genau erfaßt werden kann. Da der Zeitpunkt, in welchem die auf der Basis der erfaßten Ansaugluftmenge berechnete Kraftstoffmenge eingespritzt wird, erst im nächsten Zyklus liegt, besteht immer die Möglichkeit, daß dies zu einem Fehler führt. Die genannten Probleme führen zu einer Verringerung der Motorleistungsfähigkeit, wie etwa der Zunahme einer Veränderung des abgegebenen Drehmomentes, der Verringerung des abgegebenen Drehmomentes, der Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchsanteils, und der Zunahme der HC- oder CO-Komponente im Abgas, etc.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor zu schaffen, welche die an die jeweiligen Zylinder gelieferte Ansaugluftmenge exakt messen kann, auch wenn sich die Ansaugluftmenge ändert, und die in der Lage ist, das Luft-Kraftstoffverhältnis der an den Zylinder des Motors zu liefernden Mischung in jedem Falle mit dem vorherbestimmten Luft-Kraftstoffverhältnis in Übereinstimmung zu bringen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor geschaffen, die folgende Komponenten aufweist:
einen Zylinderinnendrucksensor zur Erfassung des Druckes einer Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors;
einen Kurbelwinkelsensor zur Erfassung des Kurbelwinkels;
Mittel zum Bilden eines Wertes des erfaßten Zylinderinnendruckes durch vorbestimmte Kurbelwinkel;
Mittel zum Berechnen der Ansaugluftmenge auf der Basis der Motorumdrehungszahl, die aus dem gebildeten repräsentativen Wert des Zylinderinnendruckes und dem Kurbelwinkel erhalten wird;
Mittel zum Bilden eines repräsentativen Wertes der berechneten Ansaugluftmenge in vorbestimmten Zyklen; und
Mittel zum Berechnen der Kraftstoffeinspritzmenge auf der Basis des gebildeten repräsentativen Wertes der Ansaugluftmenge.
Eine umfassendere Würdigung der Erfindung sowie vieler ihrer Vorteile ergibt sich aufgrund des besseren Verständnisses derselben unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der Figuren kurz beschrieben.
Fig. 1 zeigt das Aufbaudiagramm einer konventionellen und erfundenen Einrichtung;
Fig. 2 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel des Motors und dem Zylinderinnendruck dar;
Fig. 3 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Ansaugluftmenge des Motors und dem Zylinderinnendruck dar;
Fig. 4A bis 4F stellen Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Steuerzeitpunkte der Einrichtung gemäß der Erfindung dar;
Fig. 5 und 6 stellen Flußdiagramme zur Veranschaulichung der Betriebsweise der Einrichtung gemäß der Erfindung dar;
Fig. 7 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Zustandsveränderung des Zylinderinnendruckes des Motors dar; und
Fig. 8 stellt ein Digramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Ansaugluftmenge und dem Zylinderinnendruck dar, wobei die Motorumdrehungszahl der Parameter ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Der Aufbau der Einrichtung gemäß der Erfindung entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau der konventionellen Einrichtung. Die Fig. 4A bis 4F veranschaulichen die Steuerzeitgabe. CB ist ein Bezugspositionsimpulssignal, das vom Kurbelbezugspositionssensor 30 erzeugt wird; C ist ein Ausgangsimpulssignal, das bei jedem einzelnen Kurbelwinkel durch den Kurbelwinkelsensor 29 erzeugt wird; CL ist eine Konstante des Kurbelwinkelzählers; P ist der Zylinderinnendruck, der die Basis für die Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge bildet; T ist die Kraftstoffeinspritzperiode; und CA ist der Kurbelwinkel.
Als nächstes wird die Betriebsweise der Kraftstoffeinspritzsteuerung unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 beschrieben. Die in Fig. 5 dargestellte Routine beginnt mit einer Winkelunterbrechung. In Schritt 100 wird ermittelt, ob der Kurbelwinkelbezugspositionssensor 30 das Bezugspositionsimpulssignal erzeugt oder nicht, das heißt beispielsweise, ob sich der Kolben 2 des ersten Zylinders im Kompressionshub in der 90°-Position hinter dem unteren Totpunkt befindet. In der 90°-Position hinter dem unteren Totpunkt des Explosionshubes sind das Ansaugventil 4 und das Auspuffventil völlig geschlossen, so daß sich der Zylinder im geschlossenen Betriebszustand befindet. Wenn die Kurbelwelle in der Bezugsposition steht, wird in Schritt 101 der Kurbelwinkelzähler CL rückgesetzt. In Schritt 102 wird der Zylinderinnendruck aufgrund des Ausgangssignals des Zylinderinnendrucksensors 13 berechnet, der als Wert P1-0 im RAM 24 gespeichert wird. Steht im Schritt 100 die Kurbelwelle nicht in der Bezugsposition, geht das Programm nach Schritt 103 über, in welchem der Kurbelwinkelzähler CL um den Wert 1 inkrementiert wird. In den Schritten 104 bis 107 erfolgt eine Filterung der Vibration des Zylinderinnendruckes P. Die Filterbehandlung ist im Falle wirksam, daß der Zylinderinnendruck P bei jedem einzelnen Grad des Drehwinkels vibriert, wie Fig. 7 zeigt. Sie trägt zur Stabilisierung der Luft-Kraftstoffsteuerung bei. Entsprechend wird in Schritt 104 entschieden, ob der Kurbelwinkelzähler CL den Wert 3 überschreitet. Die Entscheidung dient zur Ermittlung des Durchschnittswertes des Zylinderinnendruckes im Bereich von beispielsweise vier Kurbelwinkelgraden. Lautet sie NEIN, hat der Kurbelwinkelzähler CL den Stand 1 oder 2 oder 3. Lautet die Entscheidung JA, geht das Programm nach Schritt 108 über. In Schritt 105 wird ermittelt, ob CL = 3 ist. Bei NEIN wird in Schritt 106 der Zylinderinnendruck auf der Basis des vom Innendrucksensor 13 gelieferten Ausgangssignals berechnet und als Wert P1-CL im RAM 24 gespeichert. Wenn beispielsweise CL = 2 ist, wird der entsprechende Zylinderinnendruck als Wert P1-2 im RAM 24 gespeichert. Lautet die Antwort JA, geht das Programm nach Schritt 107 über und berechnet entsprechend der Gleichung (1) einen Durchschnittswert P1m des Zylinderinnendruckes unter Verwendung der im RAM 24 gespeicherten aktuellen Zylinderinnendrücke P1-3 und P1-0, P1-1, P1-2, wobei der Durchschnittswert erneut im RAM 24 abgelegt wird.
Als nächstes berechnet das Programm in den Schritten 108 bis 112 den Durchschnittswert P2m des zweiten Zylinderinnendruckes. Zunächst wird in Schritt 108 ermittelt, ob CL < 50 ist. Falls JA, geht das Programm nach Schritt 115 weiter; falls NEIN, geht das Programm nach Schritt 109 und ermittelt, ob CL ≧ 47 ist. Lautet die Antwort JA, hat CL den Wert 47 oder 48 oder 49 oder 50, so daß in Schritt 110 ermittelt wird, ob CL = 50 ist. Im Falle NEIN, geht das Programm nach Schritt 111 über und berechnet den Zylinderinnendruck auf der Basis des vom Innendrucksensor 13 gelieferten Ausgangssignals, wobei der errechnete Wert als P2-CL im RAM 24 gespeichert wird.
Lautet die Antwort JA, geht das Programm nach Schritt 112 über und berechnet mit Hilfe der Gleichung (2) den Mittelwert P2m des Zylinderinnendruckes unter Benutzung der aktuellen Zylinderinnendrücke P2-50 und P2-47, P2-48 und P2-49, die im RAM 24 gespeichert sind, woraufhin der Mittelwert erneut im RAM 24 abgelegt wird.
Als nächstes wird in Schritt 113 die Differenz P unter Verwendung der Mittelwerte P1m und P2m des Zylinderinnendruckes mit Hilfe der Gleichung (3) berechnet.
P = P2m-P1m (3)
Als nächstes setzt das Programm in Schritt 114 eine Anforderungsmarke für die Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge. Wenn die Marke gesetzt ist, wird die Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge durchgeführt, wie später erläutert wird. In Schritt 115 wird entschieden, ob CL = 445 ist, das heißt, ob der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt gegeben ist. Falls CL = 445 ist, das heißt, falls der Einspritzzeitpunkt gegeben ist, geht das Programm nach Schritt 116 über und liest die Daten TAU, welche den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt darstellen, dessen Berechnung später erläutert wird, aus dem RAM 24 in den Mikroprozessor (CPU) 22 ein. Die Eingabe wird in die Kraftstoffeinspritzzeit t umgewandelt. In Schritt 117 erfolgt die Kraftstoffeinspritzung auf der Basis der Kraftstoffeinspritzzeitgabe.
Als nächstes wird die Berechnung der Kraftstoffeinspritzzeit unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert. Zunächst wird in Schritt 120 ermittelt, ob die Anforderungsmarke zur Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge (vgl. Schritt 114) gesetzt wurde. Wurde die Marke gesetzt, geht das Programm nach Schritt 121 über, in welchem die aktuelle Umdrehungszahl eingelesen wird. Die Umdrehungszahl kann durch die Zählung des Kurbelwinkelzählers CL in einer vorbestimmten Zeit berechnet werden.
In Schritt 122 liest das Programm die Koeffizienten K1 und K2 zur Berechnung der Ansaugluftmenge aus der in Tabelle 1 dargestellten Datenliste aus. Die Beziehung zwischen dem Koeffizienten in der Tabelle 1 wird experimentell gewonnen und basiert auf der in Fig. 8 dargestellten Beziehung. Als nächstes berechnet das Programm in Schritt 123 die Ansaugluftmenge Ga(g) aus der Beziehung der Gleichung (4). Der Wert P ist der in Schritt 113 ermittelte P-Wert.
Tabelle 1
Ga = P × K₁ × K₂ (4)
Als nächstes führt das Programm in Schritt 124 die Korrektur der Ansaugluftmenge auf der Basis der Gleichung (5) durch, und zwar unter Verwendung der aktuellen Ansaugluftmenge und der Ansaugluftmenge des vorhergehenden Zyklus.
Ga1 = Ga (diesmal) × β + Ga (im vorherigen Zyklus) × (1-β) (5)
In der Formel stellt β eine Stabilisierungskonstante dar, die experimentell bestimmt wird, wobei 0 < β < 1 ist. Als nächstes wird in Schritt 125 die Basiseinspritzkraftstoffmenge Gf aus der Formel Gf = Ga1/AF ermittelt, wobei Ga1 die Ansaugluftmenge und AF das erforderliche Luft-Kraftstoffverhältnis ist. In Schritt 126 berechnet das Programm die Basiskraftstoffeinspritzzeit τ aus der Gleichung (6).
In der Gleichung ist f das gewichtete Luft-Kraftstoffverhältnis, während Kinj ein Kapazitätskoeffizient des Kraftstoffeinspritzventils 12 ist. In Schritt 127 berechnet das Programm den aktuellen Einspritzzeitpunkt TAU. TAU wird mit Hilfe der Gleichung (7) unter Verwendung des Kühlwassertemperatur-Korrekturkoeffizienten Kw, des Batteriespannungs-Korrekturkoeffizienten Kw und anderer Korrekturkoeffizienten Kz berechnet.
TAU = τ × Kw × Kb × Kz (7)
Der Wert von TAU wird im RAM 24 als Datenwert für die Kraftstoffeinspritzzeit gespeichert. Als nächstes wird in Schritt 128 die Anforderungsmarke zur Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge rückgesetzt. In Schritt 129 führt das Programm schließlich weitere nötige Maßnahmen durch.
Bei der obigen Ausführungsform der Erfindung wird der Fall behandelt, bei dem die Kraftstoffeinspritzung unabhängig von den jeweiligen Zylindern durchgeführt ist (sequentielle Einspritzung). Es ist aber auch möglich, eine Simultaneinspritzung bei allen Zylindern vorzunehmen. In diesem Falle kann die Anzahl der Einspritzungen mehrmals gesteigert werden, und es kann die Kraftstoffeinspritzmenge für jeden Zylinder durch Einführen eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten speziell für jeden Zylinder optimiert werden. Weiter ist es möglich, das Innendrucksignal in der Weise zu behandeln, daß es mit den Vorrichtungen zur Erfassung des erzeugten Drehmomentes oder des Klopfens kombiniert wird. Weiter kann die Motorladung aus der erfaßten Ansaugluftmenge ermittelt und der Zündzeitpunkt reguliert werden.
Wie oben erwähnt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Ansaugluftmenge durch Erfassung des Zylinderinnendruckes und der Motorumdrehungszahl ermittelt, wodurch die Ansaugluftmenge exakt erhalten wird. Die Kraftstoffeinspritzmenge wird auf der Basis dieser Ansaugluftmenge bestimmt. Darum kann das Luft-Kraftstoffverhältnis der an die Verbrennungskammer des Motors zu liefernden Mischung in genaue Übereinstimmung mit einem vorgestimmten Luft-Kraftstoffverhältnis gebracht werden. Weiter wird eine Filterung durch Synthetisieren, das heißt durch Bilden eines repräsentativen Wertes, des Zylinderinnendruckes, und eine Stabilisierungsbehandlung durch Synthetisieren eines repräsentativen Wertes der Ansaugluftmenge durchgeführt. Daher kann die Luft-Kraftstoffsteuerung stabil und exakt durchgeführt werden.
Natürlich sind aufgrund der offenbarten Erfindung zahlreiche Abänderungen und Varianten der vorliegenden Erfindung möglich. Es wird daher davon ausgegangen, daß die Erfindung im Rahmen der beigefügten Ansprüche auch in anderer Weise als in der in den Ansprüchen spezifizierten Weise ausgeführt werden kann.

Claims (1)

  1. Elektronische Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Komponenten aufweist:
    einen Zylinderinnendrucksensor zur Erfassung des Druckes einer Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors;
    einen Kurbelwinkelsensor zur Erfassung des Kurbelwinkels;
    Mittel zum Bilden eines repräsentativen Wertes des erfaßten Zylinderinnendruckes durch vorbestimmte Kurbelwinkel;
    Mittel zum Berechnen der Ansaugluftmenge auf der Basis der Motorumdrehungszahl, die aus dem gebildeten repräsentativen Wert des Zylinderinnendruckes und dem Kurbelwinkel erhalten wird;
    Mittel zum Bilden eines repräsentativen Wertes der berechneten Ansaugluftmenge in vorbestimmten Zyklen; und
    Mittel zum Berechnen der Kraftstoffeinspritzmenge auf der Basis des gebildeten repräsentativen Wertes der Ansaugluftmenge.
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