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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehzahlerfassung bei
einer Brennkraftmaschine, bei dem ein mit einer Kurbelwelle verbundenes Sektorenrad
abgetastet und der Durchlauf eines Sektors bestimmter Größe bestimmt
wird.
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Derartige
Drehzahlerfassungsverfahren sind bei Brennkraftmaschinen üblich, wobei
normalerweise ein an einer Kurbelwelle angebrachtes Zahnrad mit
60 Zähnen
abgetastet wird. Da infolge des Arbeitsprinzips einer Brennkraftmaschine
mit ständigem
Wechsel zwischen Kompression und Expansion des Arbeitsgases die
Drehzahl nicht konstant ist, sondern von einer periodischen Schwingung überlagert
ist, die von unterschiedlichen Momentenbeiträgen der einzelnen Zylinder
herrührt,
wird bei der Drehzahlerfassung üblicherweise
eine Mittelung dahingehend vorgenommen, dass mehrere Zähne des Zahnrades
abgetastet werden. In der Regel erfolgt die Abtastung über einen
Drehwinkel der Kurbelwelle von 180°, was einem Arbeitstakt einer
Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine entspricht. Die Abtastung
kürzerer
Sektoren bzw. einer geringeren Anzahl an Zähnen würde aufgrund der erwähnten periodischen
Schwingungen einen zu großen
Fehler mit sich bringen.
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Die
durch die Abtastung mehrerer Zähne
bewirkte Mittelung kann bei modernen Steuergeräten einer Brennkraftmaschine
hinsichtlich des Mittelungsbeginnes oder des Mittelungsendes nahezu
beliebig gewählt
werden. Vor gewissen Steuerungsaktionen, beispielsweise der Einspritzung
von Kraftstoff in Zylindern einer Dieselbrennkraftmaschine, wird
die Mittelung zeitlich so begonnen, dass sie unmittelbar vor der
geplanten Aktion abgeschlossen ist, um dann eine möglichst
aktuelle Drehzahlinformation zu haben. Aufgrund der Mittelung über einen
Arbeitstakt, d.h. einen Drehwinkel der Kurbelwelle von 180°, ist die
Drehzahlinformation jedoch dennoch nicht so aktuell, wie es eigentlich
gewünscht
wäre, da
eine Mitteilung nachrichtentechnisch gesehen ein Filter mit Tiefpassfunktion
darstellt.
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Aus
der
DE 195 40 674
A1 ist ein Verfahren bekannt, das den Einfluss von Fertigungstoleranzen eines
mit einer Kurbelwelle verbundenen Sektorenrades bei der Drehzahlerfassung
unterdrückt.
Dabei wird auf ein Kennfeld zugegriffen, das für jeden Zahn eines solchen
Sektorenrades Korrekturwerte enthält, die die mit diesem Zahn
verbundenen periodisch wiederkehrenden Störanteile aus dem Drehzahlsignal
zu entfernen erlauben. Die Korrekturwerte werden gemäß
DE 195 40 674 A1 in
einem Adaptionsprozeß aus
dem laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine ermittelt. Ein ähnliches
Verfahren offenbart die
DE 196
22 042 A1 , wobei hier zylinderindividuelle Korrekturwerte
in einem ebenfalls während
dem Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführten Adaptionsverfahren ermittelt
und dann zur Drehzahlerfassung verwendet werden.
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Die
DE 195 44 720 C1 beschreibt
ein Verfahren zur Drehzahlerfassung, bei dem ein Drehzahlsignal
mittels Korrekturwerten korrigiert wird, um Fertigungstoleranzen
des Sektorenrades sowie Torsionsschwingungen der das Sektorenrad
tragenden Kurbelwelle zu berücksichtigen.
Die Korrekturwerte sind in einem Kennfeld zylinderindividuell als
Funktion der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine abgelegt
und dienen zur multiplikativen Korrektur gemessener Durchlaufzeiten
des zugeordneten Sektors.
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Die
zeitrangältere,
aber nachveröffentlichte
DE 100 17 107 A1 befasst
sich mit der Kompensation eines Drehzahlsignals und schlägt vor,
zur Korrektur der gemessenen Durchlaufzeiten eines Sektors eines
Sektorenrades vorgesehene Korrekturwerte in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine abzuspeichern, um eine betriebsparameterabhängige Fehlerbereinigung
der gemessenen Durchlaufzeiten zu bewirken. Alternativ schlägt diese Druckschrift
vor, mittels einer Fourier- Transformation Betrag
und Phase einer Segmentzeitschwankung zu bestimmen. Zur Korrektur
wird dann mittels einer Fourier-Summe
ein Korrekturwert bestimmt, wobei jeweils Betrag und Phase aus der
vorherigen Kurbelwellenumdrehung in die Fourier-Summe eingesetzt werden.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlerfassung
bei einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem die momentane Drehzahl
der Brennkraftmaschine ohne zeitliche Verzögerung exakt bestimmt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem eingangs geschilderten Verfahren zur Drehzahlerfassung
bei einer Brennkraftmaschine dadurch gelöst, dass aus einem Kennfeld
betriebsparameterabhängige
Korrekturfaktoren entnommen werden, die Entwicklungskoeffizienten
einer Reihenentwicklung einer Schwingungsfunktion zur Modellierung
im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretender, periodischer Drehzahlschwingungen
sind, und, um eine Bereinigung hinsichtlich der Drehzahlschwingungen
zu erreichen, die Zeitdauer, die der Durchlauf eines Sektors bestimmter
Größe eines
mit der Kurbelwelle verbundenen Sektorenrades dauert, unter Verwendung
dieser Korrekturfaktoren korrigiert wird, so dass eine korrigierte
Zeitdauer erhalten wird.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
berücksichtigt
also Informationen über
die periodischen Drehzahlschwingungen, die zu einer Verfälschung
der Drehzahlmessung führen
würden,
wenn auf die zeitraubende Mittelung verzichtet wird. Durch die Auswertung
dieser, in Form von betriebsparameterabhängigen, in einem Kennfeld hinterlegten
Korrekturfaktoren, kann die Information über die Schwingung ausgewertet
werden. Dies erlaubt eine Verkürzung der
Erfassungsdauer oder sogar einen völligen Verzicht auf die Mittelung.
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Dadurch
ist nicht nur eine völlige
Freiheit zur Wahl des Zeitpunkts der Drehzahlerfassung gegeben – sie ist
bei jeder Kurbelwinkelposition möglich –, sondern
auch eine weitere Zielvorgabe für
eine optimale Drehzahlerfassung ist erreicht: es kann eine kurze
Messdauer realisiert werden. Insbesondere kann die Messdauer deutlich
kürzer
sein, als die bisherige Mittelungsdauer von einem Arbeitstakt.
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Somit
wird durch das erfindungsgemäße Drehzahlerfassungsverfahren
eine sehr viel aktuellere Drehzahlinformation bereitgestellt, als
es im dem Stand der Technik möglich
war. Dies wirkt sich beim Betrieb einer Brennkraftmaschine besonders
vorteilhaft aus, da der Steuerung der Brennkraftmaschine eine exaktere
Kenntnis der Drehzahl zugrundegelegt werden kann, was Verbesserungen
bei Betriebskomfort, -sicherheit und Kraftstoffökonomie sowie Schadstoffarmut
einer Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Die
Korrekturfaktoren sind so zu wählen, dass
sie Informationen über
die periodischen Drehzahlschwingungen geben, die im Betrieb der
Brennkraftmaschine unvermeidlicherweise auftreten. Besonders bevorzugt
ist es dabei, dass die Korrekturfaktoren als Entwicklungskoeffizienten
für eine
Synthese bzw. Modellierung der Drehzahlschwingungen gewählt werden.
Solche Korrekturfaktoren erlauben dann betriebspunktabhängig die
Drehzahlschwingungen zu modellieren, so dass diese bei der Drehzahlerfassung
dann sehr genau und betriebsparameterabhängig berücksichtigt werden können.
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Natürlich können den
Korrekturfaktoren beliebige Arten der Reihenentwicklung einer Schwingungsfunktion
zugrundegelegt werden. In der einfachsten Version einer Fourier-Synthese
der Schwingung wird beispielsweise eine einfache Sinusschwingung
zugrundegelegt. Die Korrekturfaktoren beschränken sich dann auf zwei Werte,
Amplitude und Phase der Sinusschwingung. Auch in diesem Fall sind
sie betriebsparameterabhängig
in einem Kennfeld hinterlegt. Aufwendigere Fourier-Synthesen der Schwingungsfunktion
verwenden dann entsprechend höhere
Anzahlen an Koeffizienten, wobei diesem höheren Speicheraufwand auch
eine höhere
Genauigkeit bei der Drehzahlerfassung gegenübersteht. Optional ist beispielsweise
auch eine Taylor-Entwicklung
möglich.
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Wie
die Korrekturfaktoren zur Bereinigung der Störung durch die periodischen
Drehzahlschwingungen verwendet werden, ist für die Erfindung prinzipiell
nicht ausschlaggebend. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, aus den
Korrekturfaktoren einen Zeitdauerfehler zu berechnen, mit dem die
Zeitdauer, die der Durchlauf des Sektors bestimmter Größe des Sektorenrades
dauert, korrigiert wird, um Fehler durch die periodische Drehzahlschwingung
zu bereinigen. Dieses Berechnungsverfahren ist besonders einfach
auszuführen
sowie rechenzeitschonend, da lediglich ein Zeitdauerfehler bestimmt
und danach additiv mit der gemessenen Zeitdauer verrechnet werden
muss.
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Besonders
zweckmäßig ist
es dabei, zur Berechnung des Zeitdauerfehlers aus den Korrekturfaktoren
die aktuell vorliegende Drehzahlschwingung in einer Modellbildung
zu berechnen. Dies kann auf erwähnte
Weise durch Synthese der periodischen Drehzahlschwingung erfolgen.
Hierzu bieten sich, wie erwähnt,
die Synthese der Schwingung durch eine Taylor- oder Fourier-Entwicklung an. Im
einfachsten Fall genügt
die Modellierung der periodischen Schwingung durch eine Sinusschwingung. Diese
Modellierung ist, wie bereits erwähnt, besonders speicherschonend.
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Die
Genauigkeit, mit der die Drehzahl erfasst werden kann, hängt im wesentlichen
von zwei Parametern ab: zum einen von der Exaktheit, mit der die Schwingung
modelliert werden kann, zum anderen von der Genauigkeit, mit der
die Drehzahl gemessen werden kann, mithin von der Größe des Sektors, über den
das Sektorenrad abgetastet wird. Das erfindungsgemäße Konzept
ermöglicht
es nun, die Drehzahlerfassung abhängig von der erforderlichen
Genauigkeit zu wählen.
Wird eine hochexakte Drehzahlerfassung benötigt, kann zum einen der Rechenaufwand
zur Simulation der periodischen Schwingung gesteigert werden, zum
anderen kann man einen größeren Sektor
des Sektorenrades abtasten. Bei einem niedrigeren Genauigkeitsbedürfnis kann
der Rechenaufwand gesenkt und/oder die abgetastete Sektorengröße verkleinert
werden.
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Das
Verfahren ist für
Brennkraftmaschinen herkömmlicher
Bauart besonders vorteilhaft, wenn ein mit der Kurbelwelle drehfest
verbundenes Zahnrad als Sektorenrad eingesetzt wird.
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Die
Erzeugung der Korrekturfaktoren kann durch theoretische Modellüberlegungen
hinsichtlich der für
die Anwendung vorgesehenen Brennkraftmaschine gewonnen werden. Besonders
zu bevorzugen ist es jedoch, die Korrekturfaktoren als Funktion
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine aus Vermessungen der
Drehzahlschwingungen auf einem Prüfstand zu erhalten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhaft noch näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, deren Drehzahl erfasst
werden soll,
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2 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Drehzahlerfassung,
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die 3 und 4 Abwandlungen
des Flussdiagramms der 2 und
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5 eine
Zeitreihe für
die Durchlaufzeiten verschiedener Sektoren eines Sektorenrades.
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In 1 ist
schematisch eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, deren Betrieb über nicht
näher bezeichnete
Leitungen von einem Steuergerät 2 gesteuert
wird. Dieses Steuergerät 2 misst
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise die Drehzahl
N sowie die Last, und teilt der Brennkraftmaschine 1, bei
der es sich im schematisch dargestellten Beispiel um eine Vierzylinderbrennkraftmaschine
handelt, eine Kraftstoffmenge zu, die zur Abwicklung der gegenwärtigen Betriebsphase
erforderlich ist.
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Die
Brennkraftmaschine 1 versetzt eine Kurbelwelle 3 in
Drehung, die ein (nicht dargestelltes) Kraftfahrzeug antreibt. Auf
der Kurbelwelle 3 sitzt ein Zahnrad 4, das 60
Zähne aufweist.
Die Zähne
des Zahnrades 4 werden von einer Gabellichtschranke 5 abgefühlt, die
ihre Signale über
nicht bezeichnete Leitungen an das Steuergerät 2 leitet.
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Aus
den Signalen der Gabellichtschranke 5 bestimmt das Steuergerät 2 die
für die
Steuerung des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 erforderliche
Information über
die Drehzahl N. Dazu greift das Steuergerät 2 in einem noch
zu beschreibenden Verfahren zur Drehzahlerfassung auf einen Kennfeldspeicher 6 zu,
in dem Werte betriebsparameterabhängig in einem Kennfeld abgelegt
sind.
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Für den Betrieb
der Brennkraftmaschine 1 benötigt das Steuergerät 2 Kenntnis
der aktuellen Drehzahl N der Kurbelwelle 3. Diese Information
ist beispielsweise bei der Bestimmung der in die Zylinder der Brennkraftmaschine 1,
die im vorliegenden Beispiel eine Dieselbrennkraftmaschine ist,
einzuspritzende Kraftstoffmasse sowie der Wahl des Einspritzzeitpunktes
erforderlich. Die Drehzahlinformation sollte deshalb für einen
optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu dem Zeitpunkt, zu dem
die Einspritzung durchgeführt
wird, möglichst
aktuell sein und der tatsächlichen
Drehzahl N der Kurbelwelle 3 entsprechen. Der Drehung der
Kurbelwelle 3 sind periodische Drehzahlschwingungen überlagert,
die von unterschiedlichen Momentenbeiträgen der einzelnen Zylinder
der Vierzylinder-Brennkraftmaschine 1 herrühren.
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5 zeigt
für den
Modellfall einer gleichbleibenden mittleren Drehzahl N den Einfluss
dieser periodischen Schwingung. In 5 ist die
Zeitdauer T, die der Durchlauf jedes Zahnes des Zahnrades 4 an
der Gabellichtschranke 5 benötigt, über der Zahnnummer i aufgetragen.
Wie zu sehen ist, schwankt die Zeitdauer Ti der
individuellen Zähne
periodisch. Im darge stellten Beispiel handelt es sich dabei um eine
Sinusschwingung, die mit einer Amplitude A um die mittlere Zeitdauer
T herum verläuft.
Diese Sinusschwingung weist weiter eine Phase phi bezüglich des
als Normierung herangezogenen Zahnes mit der Nummer 0 bzw. des Zahnes
mit der Nummer 30 auf. Misst man nun am Messpunkt 7 oder 8 die
Zeitdauer Ti für den Zahn mit der Nummer i
= 38 oder i = 39, so ergibt sich eine aufgrund der periodischen
Schwingung verlängerte
Zeitdauer, die eine falsche Drehzahl N ergäbe.
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Zur
Korrektur dieses Einflusses führt
das Steuergerät 2 das
in 2 dargestellte Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl
durch.
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Mit
einem Schritt S0 wird das Verfahren gestartet. Als nächstes werden
in einem Schritt S1 vom Steuergerät 2 Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine 1 erfasst. Es handelt sich dabei
um diejenigen Betriebsparameter, über denen später bei
der Korrektur verwendete Korrekturfaktoren in einem im Kennfeldspeicher 6 abgelegten
Kennfeld aufgespannt sind. Als nächstes
werden in einem Schritt S2 diese Korrekturfaktoren aus dem Kennfeldspeicher 6 in
das Steuergerät 2 eingelesen.
Dann wird in einem Schritt S3 der Durchlauf des Zahnes am Zahnrades 4 an
der Gabellichtschranke 5 gemessen. Die dadurch bestimmte
Zeitdauer Ti stellt die Durchlaufzeit des
i-ten Zahnes des Zahnrades 4 dar.
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Bei
einer völlig
gleichförmigen
Drehung der Kurbelwelle 3 wäre diese Zeitdauer Ti für
alle Zähne des
Zahnrades 4 konstant, so sich die Drehzahl nicht ändern würde. Selbst
bei absolut gleichbleibender mittlerer Drehzahl der Kurbelwelle 3 der
Brennkraftmaschine 1 treten die vorerwähnten periodischen Schwankungen
auf, weshalb die Zeitdauern Ti für die unterschiedlichen
Zahnnummern i variieren.
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In
einem Schritt S4 wird ein durch die periodische Schwankung aktuell
verursachte Zeitdauerfehler dTi berechnet.
Diese Berechnung kann auf verschiedene Weisen erfolgen.
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In
einer ersten Berechnungsvariante wird die periodische Drehzahlschwingung
durch eine Fourier-Synthese simuliert. Diese Simulation erfordert es,
dass die Brennkraftmaschine zuvor auf einem Prüfstand vermessen wurde, wobei
der periodische Verlauf der Schwingung für möglichst viele Betriebsparameter
bzw. Betriebspunkte der Brennkraftmaschine aufgezeichnet und in
entsprechende Synthesekoeffizienten umgesetzt wird. Diese werden
dann im Kennfeldspeicher 6 abgelegt. In einer einfachsten Annäherung an
die periodische Schwingung kann die Fourier-Reihe der Schwingungssynthese
nach dem ersten Koeffizienten abgebrochen werden. Der Zeitdauerfehler
dTi ist dann durch folgende Gleichung gegeben: dTi =
A·sin
2 π(i+phi)/30, (1)wobei A die
Amplitude der Schwingung und phi die Phase darstellen, die jeweils
im Kennfeldspeicher 6 über
den gewählten
Betriebsparametern, beispielsweise Last und mittlerer Drehzahl aufgespannt
sind. Natürlich
können
auch andere Betriebsparameterabhängigkeiten
gewählt
werden, beispielsweise Öltemperatur
der Brennkraftmaschine, eingespritzte Kraftstoffmenge usw.
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Diese
Variante, bei der die periodische Schwingung der Drehzahl durch
eine Sinusschwingung angenähert
wird, ist in 3 dargestellt, die die alternative
Ausgestaltung des Schrittes S2 der 2 zeigt.
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In
einer zweiten Berechnungsvariante wird die Schwingung nicht durch
eine Fourier-Reihe synthetisiert, sondern durch eine Taylor-Reihe.
Auch hier kann die Güte
der Modellierung durch die Wahl der entsprechenden Näherungsglieder
mithin der entsprechenden Anzahl an Entwicklungskoeffizienten gesteuert
werden.
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In
einem Schritt S5 wird der derart bestimmte Zeitdauerfehler dTi von der gemessenen Zeitdauer Ti abgezogen
und gemäß folgender
Gleichung zur Berechnung der Drehzahl N verwendet: N = 1/(Ti – dTi). (2)
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Optional
ist es möglich,
die Genauigkeit der Drehzahlerfassung nicht nur durch den Rechenaufwand,
der bei der Modellierung der periodischen Schwingung betrieben wird,
zu beeinflussen, sondern auch durch eine Mittelung über mehrere
Messpunkte 7, 8 bzw. mehrere Zahnnummern i bei
der Messung der Zeitdauer Ti. Dieser Sachverhalt
ist in 4 blockschaltartig näher dargestellt, in der Schritte
S3a und S3b gezeigt sind, die den Schritt S3 der 2 ersetzen.
Dabei wird zuerst eine Genauigkeit festgelegt, mit der die Drehzahl
erfasst werden soll. Anschließend
wird in Schritt S3b die Größe des Sektors
des Sektorenrades, also die Zahl an Zähnen des Zahnrades, die abgetastet
werden soll, festgelegt, wodurch die Länge der Mittelung bestimmt
ist. Natürlich
ist für
diesen Fall die Gleichung (1), die von der Messung der Durchlaufzeit
Ti eines einzelnen Zahnes ausgeht, entsprechend
folgt zu modifizieren.