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Die
Erfindung betriff ein Verfahren zum Bestimmen des Auslösezeitpunktes
des Regenerationsprozesses zum Regenerieren eines in den Abgasstrang
einer Brennkraftmaschine eingeschalteten Partikelfilters.
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Zur
Reduzierung des Partikelausstoßes,
insbesondere eines Rußausstoßes, werden
in den Abgasstrang von Dieselmotoren Partikelfilter eingeschaltet.
Beim Betrieb des Dieselmotors akkumulieren auf der Filteroberfläche des
Partikelfilters sukzessive Rußpartikel.
Zum Regenerieren eines solchen Partikelfilters ist bekannt, den
Ruß mittels
eines Rußabbrandes
und somit durch Oxidation zu beseitigen. Ein solcher Rußabbrand
tritt dann selbsttätig
ein, wenn die den Partikelfilter anströmende Abgastemperatur höher ist
als die Zündtemperatur
des Rußes. Zum
Absenken der Rußzündtemperatur
werden Kraftstoffadditive verwendet. Die Abgastemperatur überschreitet
in aller Regel dann die Rußzündtemperatur,
wenn der Dieselmotor über
eine gewisse Zeitdauer hinweg unter einer bestimmten Last arbeitet, beispielsweise
bei einer zügigen
Fahrt. Um eine Regeneration des Partikelfilters auch in solchen
Betriebszuständen
zu ermöglichen,
in denen die Abgastemperatur geringer ist als die Rußzündtemperatur, werden
aktive Regenerationsprozesse eingesetzt. Dieses erfolgt durch Zuführen thermischer
Energie, etwa über
thermoelektrische Heizelemente oder durch Eindüsen von Kraftstoff in den Abgasstrom. Damit
eine bestimmungsgemäße Regeneration
des Partikelfilters durch Rußabbrand
erfolgen kann, ist es erforderlich, dass der Partikelfilter eine
bestimmte Rußbeladung
aufweist. Ist die auf dem Partikelfilter akkumulierte Rußmenge zu
gering, kann dieses zu einem unvollständigen, ungleichmäßigen Rußabbrand
führen.
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Ausgehend
von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren dergestalt weiterzubilden,
dass der Regenerationsprozess erst dann gestartet wird, wenn mit
einem hinreichenden Regenerationsergebnis gerechnet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren mit folgenden
Schritten:
- – Bestimmen des aktuellen Rußbeladungszustandes
des Partikelfilters,
- – Vergleichen
des ermittelten Beladungszustandes mit einem Kennfeld, aufgebaut
aus Daten, die bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
die für
ein Regenerationsprozess mit hinreichendem Regenerationserfolg notwendige
Rußbeladung
darstellen,
- – Setzen
eines Flag "Beladungszustand
OK", wenn die aktuell
ermittelte Rußbeladung
größer oder
gleich der durch das Kennfeld geforderten Mindestrußbeladung
ist und
- – wenn
das Flag "Beladungszustand
OK" gesetzt ist,
Bestimmen des voraussichtlichen Regenerationserfolges, wenn im Zeitpunkt
dieser Bestimmung in Abhängigkeit
von dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine der Regenerationsprozess
ausgelöst
werden würde,
und Setzen eines Flag "Regeneration
Start", wenn der voraussichtliche
Regenerationserfolg hinreichend ist.
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Unter
dem Begriff "Flag" ist im Rahmen dieser
Ausführungen
ein Statusindikator oder jedes damit gleichwertige Element zu verstehen,
dass zumindest zwei Zustände
aufweist. Die Zustände
sind aus dem Flag abrufbar.
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Bei
diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt der Rußbeladungszustand
des Partikelfilters ermittelt und ein Flag "Beladungszustand OK" gesetzt, wenn die aktuell ermittelte
Rußbeladung
größer oder
gleich einer vordefinierten Rußmindestbeladung
ist. Grundsätzlich
ist es für
das Verfahren unerheblich, in welcher Art der Rußbeladungszustand ermittelt
wird. Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der Rußbeladungszustand
in Abhängigkeit
von der Drehzahl, dem Drehmoment der Brennkraftmaschine, beispielsweise
des Dieselmotors und dem Abgasgegendruck ermittelt wird und die
ermittelte Größe mit einem
aus diesen Daten aufgebauten Kennfeld verglichen wird. In dem Kennfeld
ist die eine Mindestbeladung darstellende Größe in Abhängigkeit von unterschiedlichen
Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine dargestellt. Eine Bestimmung der Rußbeladung
des Partikelfilters gemäß diesem
Verfahren kann bei beliebigem Betriebszustand des Dieselmotors durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise werden die dynamischen Größen nur dann für eine Beladungszustandsermittlung
ausgewertet, wenn diese sich innerhalb eines vorgege benen Zeitintervalls nicht
oder nur in vorgegebenen Grenzen geändert haben. Somit erfolgt
eine Rußbeladungsbestimmung bei
diesem Verfahren dann, wenn innerhalb der vorgegebenen Grenzen die
Brennkraftmaschine quasi stationär
betrieben wird. Zum Aufbau des Kennfeldes sind die notwendigen Daten
ebenfalls bei quasi stationären
Zuständen
der Brennkraftmaschine ermittelt worden sind.
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Ist
im Rahmen des Schnittes der Beladungszustandserfassung das Flag "Beladungszustand
OK" gesetzt worden,
erfolgt in einem zweiten Schritt eine Bestimmung des voraussichtlichen
Regenerationserfolges in Abhängigkeit
von dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Damit
ein Rußabbrand
hinreichend vollständig
erfolgt, wird der aktuelle Betriebszustand der Brennkraftmaschine
berücksichtigt,
und zwar vorteilhafterweise ausgewertet im Hinblick abgasbezogene
Kennwerte. Gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung erfolgt eine Auswertung von dem Betriebszustand der
Brennkraftmaschine wiedergebenden Größen im Hinblick auf den Sauerstoffgehalt
im Abgasstrom und die Temperatur des Abgasstroms. Vorzugsweise werden
diese beiden Variablen zueinander gewichtet, wobei der Sauerstoffgehalt
im Abgasstrom stärker
bewertet wird als die Temperatur des Abgasstromes. Gleichwohl soll die
Temperatur des Abgasstromes nicht gänzlich unberücksichtigt
bleiben. Das Flag "Regeneration
Start" wird gesetzt,
wenn aufgrund des aktuellen Betriebszustandes, dargestellt beispielsweise
durch die Drehzahl und das Drehmoment in Abhängigkeit von der ermittelten
Rußbeladung
im Abgasstrom geeignete Rußabbrandbedingungen
(Sauerstoffgehalt, Temperatur) herrschen. Das Flag "Regeneration Start" wird somit dann
gesetzt, wenn die aktuellen Betriebsbedingungen des Dieselmotors
für einen
hinreichen erfolgreichen Rußabbrand
geeignet sind. In Kombination mit den vorgenannten, aus dem Abgasmassenstrom,
gewonnenen Kennwerte oder auch unabhängig hiervon können demselben
Zweck dienende Kennwerte auch dem der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmassenstrom
entnommen werden. Ist neben dem Flag "Beladungszustand OK" auch das Flag "Regeneration Start" gesetzt, kann der Regenerationsprozess
ausgelöst
werden, beispielsweise durch Bestromen einen thermoelektrischen,
dem Partikelfilter zugeordneten Heizelementes.
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Eine
Auslösung
des Regenerationsprozesses kann an das Setzen eines oder mehrerer
weiterer Flags gebunden sein, etwa eines Flags, welches auf "Regeneration Start" gesetzt ist, wenn
aufgrund des Betriebsprofils der Brennkraftmaschine ein ausgelöster Regenerationsprozess
mit hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit vollständig durchgeführt werden kann.
Mit diesem weiteren Flag soll gewährleistet werden, dass ein
ausgelöster
Regenerationsprozess auch hinsichtlich seiner zeitlichen Dauer vollständig durchgeführt werden
kann und mit einiger Wahrscheinlichkeit innerhalb der für eine Regeneration benötigten Dauer,
die Brennkraftmaschine nicht abgeschaltet wird.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1:
ein Kennfeld darstellend eine für
das Auslösen
einer Regeneration notwendige Mindestbeladung eines Partikelfilters
in Abhängigkeit
unterschiedlicher Betriebszustände
eines Dieselmotors,
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2:
das Diagramm der 1 mit einem weiteren, die Maximalbeladung
des Partikelfilters darstellenden Kennfeld und
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3:
der zum Bestimmen des voraussichtlichen Regenerationserfolges in
Abhängigkeit
von dem aktuellen Betriebszustand des Dieselmotors betrachtete Ausschnitt
des Motorkennfeldes mit beispielhaft darin eingetragenen relativen
Beladungszustandsgrößen.
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Zum
Bestimmen des Auslösezeitpunktes zum
Auslösen
einer Regeneration eines in den Abgasstrang eines Dieselmotors eingeschalteten
Partikelfilters wird im laufenden Betrieb des Dieselmotors in zeitlichen
Abständen
der Rußbeladungszustand des
Partikelfilters bestimmt. Über
diese Variable "Rußbeladungszustand" erfolgt eine Bestimmung
der Zweckmäßigkeit
sowie der Notwendigkeit, einen Regenerationsprozess zum Regenerieren
des Partikelfilters auszulösen.
Der Rußbeladungszustand
des Partikelfilters wird bei diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung
einer Lastgröße, der
Drehzahl sowie des Abgasgegendruckes im anströmseitigen Abschnitt des Abgasstranges
vor dem Partikelfilter ermittelt. Als lastabhängige Größe kann beispielsweise das
Drehmoment oder die Abgastem peratur verwendet werden. Im Folgenden
wird als lastabhängige Größe das Drehmoment
verwendet. In die Auswertung gehen die ermittelten Werte dann ein,
wenn sich diese innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht
oder nur in vorgegebenen Grenzen geändert haben. Durch diese Maßnahme soll
ausgeschlossen werden, dass eine Auswertung der vorgenannten Größen im Zusammenhang
mit einer Bestimmung des Rußbeladungszustandes
bei einem zu dynamischen Betrieb des Dieselmotors erfolgt. Vielmehr
ist vorgesehen, ein Messergebnis dann auszuwerten, wenn zumindest
angenähert
stationäre
Messbedingungen gegeben sind. Genügen die in einem vorgegebenen
Zeitintervall, erfassten Messwerte den an die Änderungen gemachten Voraussetzungen,
wird das Drehmoment, der Abgasgegendruck und die Drehzahl erfasst
bzw. die kontinuierlich diesbezüglich
erfassten Werte gehen in die Auswertung ein. Ausgewertet werden
die ermittelten Größen durch Vergleich
derselben mit einem Kennfeld. Durch das Kennfeld wird der minimale
Beladungszustand des Partikelfilters in unterschiedlichen Betriebszuständen dargestellt.
Ein solches Kennfeld eines bestimmten, in den Abgasstrang eines
Dieselmotors eingeschalteten Partikelfilters ist in 1 dargestellt.
Aufgebaut ist das Kennfeld aus denselben Variablen, die zum Ermitteln
des aktuellen Rußbeladungszustandes
des Partikelfilters erfasst werden. In dem in 1 dargestellten
Kennfeld sind in der x-y-Ebene das Drehmoment (y-Achse) sowie die
Drehzahl des Dieselmotors (x-Achse) aufgetragen. Auf der z-Achse ist der Abgasgegendruck
als Maß für die Rußbeladung
des Partikelfilters aufgetragen. Die zum Aufbau des Kennfeldes benötigten Daten
sind bei einem stationären
bzw. quasi stationären
Betrieb des Dieselmotors ermittelt worden und in dem Steuergerät zum Durchführen des
Verfahrens in einem Speicher abgelegt. Das Kennfeld variiert bezüglich seiner
z-Werte bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Dieselmotors.
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Verglichen
werden die aktuell erfassten Betriebsgrößen (Drehmoment, Drehzahl,
Abgasgegendruck) mit dem in 1 gezeigten
Kennfeld. Befindet sich der aktuell ermittelte Beladungszustand
des Partikelfilters auf dem Kennfeld oder oberhalb desselben, ist
eine ausreichende Rußbeladung
des Partikelfilters gegeben, um ein Regenerationsprozess bezogen
auf den Beladungszustand erfolgreich durchführen zu können. Systemseitig wird ein
erstes Flag gesetzt, nämlich
das Flag "Beladungszustand
OK".
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Um
Fehlbestimmungen zu reduzieren, kann es vorgesehen sein, dass das
Flag "Beladungszustand
OK" erst dann gesetzt
wird, wenn zwei oder mehrere aufeinander folgende aktuelle Beladungszustandsbestimmungen
zu dem demselben Ergebnis geführt
haben.
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Das
Flag "Beladungszustand
OK" wird wieder
gelöscht,
wenn der Beladungszustand eine Größe erreicht hat, bei der ein
Rußabbrand
nicht mehr aktiv ausgelöst
werden soll. 2 zeigt ein oberhalb des Kennfeldes
der 1 mit der Mindestbeladung ein Kennfeld mit der
Maximalbeladung des Partikelfilters.
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Ausgelöst wird
der Regenerationsprozess jedoch nicht allein auf Grundlage des gesetzten
Flag "Beladungszustand
OK". Ausgelöst wird
der Regenerationsprozess in Abhängigkeit
von dem Ergebnis der Bestimmung des voraussichtlichen Regenerationserfolges,
und zwar in Abhängigkeit
von dem aktuellen Betriebszustand des Dieselmotors. Damit soll gewährleistet
werden, dass der für
die Regeneration des Partikelfilters durchgeführte Rußabbrand mit hinreichendem
Erfolg durchgeführt
wird. Die ermittelten aktuellen Betriebszustandsgrößen des
Dieselmotors – Drehmoment
und Drehzahl – werden,
wenn das Flag "Beladungszustand
OK" gesetzt ist,
zusätzlich auf
den voraussichtlichen Regenerationserfolg, wenn dieser im Zeitpunkt
der Bestimmung ausgelöst
werden würde,
ausgewertet. Diese Auswertung erfolgt anhand eines Kennfeldes, in
dem ein Ausschnitt des Motorkennfeldes betrachtet wird. Das Kennfeld
wird bestimmt durch solche Betriebszustandsgrößen des Dieselmotors, die einen
Rückschluss
auf den Regenerationserfolg haben. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden zu diesem Zweck der Sauerstoffgehalt im Abgasstrom sowie
die Temperatur des Abgasstromes verwendet, wobei diese beiden Größen zueinander
gewichtet sind. Eine Gewichtung dieser beiden Kennwerte erfolgt
zugunsten des Sauerstoffgehaltes. 3 zeigt
ein solches Kennfeld. Die Kennwerte – Sauerstoffgehalt, Temperatur – sind zugunsten
des Sauerstoffgehaltes gewichtet. Aufgetragen in dem Kennfeld sind
Isolinien, die eine Regenerationsfreigabe bei einer bestimmten Rußbeladung des
Partikelfilters darstellen. Parallel bzw. in etwa parallel zu den
Isolinien verhalt sich der sich aller Voraussicht nach einstellende
Regenerationserfolg. Dieser ist am rechten Rand des Kennfeldes – also bei höheren Drehzahlen
und mittlerer Last – am
besten und bei geringer Drehzahl und geringer Last am ungünstigsten.
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Das
weitere Flag "Regeneration
Start" wird gesetzt,
wenn nach vorherigem Setzen des Flag "Beladungszustand OK" die aktuelle Drehzahl und das Drehmoment
ein solches Verhältnis
zueinander aufweisen, dass der ermittelte Wert jeweils rechts von der
den zuvor ermittelten Beladungszustand wiedergebenden Isolinie liegt.
Es wird dann davon ausgegangen, dass die für den angestrebten Regenerationserfolg
notwendigen Bedingungen im Abgasstrang herrschen.
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Das
in 3 dargestellte Kennfeld verdeutlicht die weitere
durch dieses Verfahren verfolgte Strategie. Mit zunehmender Rußbeladung
wird das Flag "Regeneration
Start" auch dann
gesetzt, wenn nur mit einem mäßigen Regenerationserfolg
zu rechnen ist. Dieses erfolgt vor dem Hintergrund, dass ein Rußabbrand
vermieden werden soll, wenn der Partikelfilter einen hohen oder
zu hohen Beladungszustand aufweist, bei dem ein Rußabbrand
zu einer Überhitzung
des Partikelfilters führen
könnte.
Man wird das Verfahren daher so betreiben, dass das Flag "Regeneration Start" bezogen auf den
Beladungszustand des Partikelfilters so früh wie möglich gesetzt wird.
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Die
in die Auswertung einfließenden
Größen sind
abhängig
von dem Dieselmotor und dem verwendeten Partikelfilter. Die Abhängigkeit
von dem Partikelfilter schließt
nicht nur seine Materialabhängigkeit,
sondern auch seine Größe ein.
Bei dem beispielhaft beschriebenen Verfahren wird das Flag "Beladungszustand
OK" gesetzt, wenn
der Partikelfilter bezogen auf den zum Durchführen einer Regeneration gestatteten
Rußbeladungszustand
von 75% erreicht hat. Gelöscht
wird dieses Flag, wenn der Beladungszustand 100% überschreitet.
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Ist
das Flag "Regeneration
Start" gesetzt, kann
der Regenerationsprozess des Partikelfilters ausgelöst werden,
und zwar durch Zuführen
thermischer Energie, wobei dieses bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
mittels eines thermoelektrischen Heizelementes erfolgt. Gleichermaßen kann ein
solcher Regenerationsprozess beispielsweise auch durch Eindüsen von
Kraftstoff in den Abgasstrang ausgelöst werden, wenn dem Partikelfilter
ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet ist.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach Setzen
des Flags "Regeneration Start", welches voraussetzt,
dass zuvor das Flag "Beladungszustand
OK" gesetzt worden
ist, der eigentliche Regeneration Start davon abhängig ist,
dass ein oder mehrere weitere Flags den Start des Regenerationsprozesses
frei geben. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung erfolgt der Regenerationsstart erst dann,
wenn nach Setzen des Flags "Regeneration Start" aufgrund des Betriebsprofils
der Brennkraftmaschine mit hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit
ein ausgelöster
Regenerationsprozess auch hinsichtlich seines zeitlichen Ablaufes
vollständig
durchgeführt werden
kann. In besonders einfacher Weise lässt sich ein solches Fahrprofil
mit folgenden Schritten erstellen:
- – Auswerten
der nach einem Motorstopp zurückliegenden
Motorbetriebszeit in Bezug auf Zeitpunkte oder -intervalle, in denen
der Prozess hätte
ausgelöst
werden können
und/oder in denen der Prozess nicht hätte ausgelöst werden sollen,
- – Speichern
des Auswerteergebnisses,
- – Addieren
des Auswerteergebnisses des nächsten
Motorbetriebzeitintervalls zu dem gespeicherten Auswerteergebnis
und Speichern desselben als kumuliertes Auswerteergebnis, wobei
unter Verwendung des kumulierten Auswerteergebnisses als Summand
dieser Schritt für
alle weiteren Motorbetriebszeitintervallauswertungen durchgeführt wird
und
- – Setzen
eines Flag „Prozessstart" oder „Prozesssperre" während einer
laufenden Motorbetriebszeit in Abhängigkeit von dem aktuellen
Zeitpunkt innerhalb der laufenden Betriebszeit und der diesem Zeitpunkt
entsprechenden Information aus dem kumulierten Auswerteergebnis.
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Bei
diesem Verfahren werden die jeweils nach einem Motorstopp (Motor
aus) zurückliegenden Motorbetriebszeiten
rückschauend
ausgewertet und zwar dahingehend, in welchen Zeitpunkten der jeweils
gewünschte
Prozess hätte
unter Berücksichtigung
seiner Prozessdauer ausgelöst
werden können und
in welchen nicht. Durch Aufsummieren der den einzelnen Zeitpunkten
bzw. Zeitabschnitten zugeordneten Ergebnisse über die zurückliegenden Motorbetriebszeiten
erhält
man ein Fahrprofil, in dem diejenigen Zeitpunkte bzw. Zeitabschnitte
in Abhängigkeit von
dem Fahrverhalten des Fahrers und der jeweils benötigten Prozessdauer
definiert werden, in denen der Prozess hätte gestartet und vollständig durchgeführt werden
können.
Betrachtet wird bei der Auswertung grundsätzlich die gesamte einem Motorstopp vorausgegangene
Motorbetriebszeit. Dabei wird man in aller Regel eine Auswertung
dergestalt vornehmen, dass ausgehend von dem jeweiligen Motorstopp
zurückreichend
diejenigen Zeitpunkte negativ beurteilt werden, in denen ein Regeneration
Start und ein Ablauf des Prozesses nicht mehr möglich gewesen wäre. Die übrigen Zeitpunkte
oder Zeitabschnitte der vorangegangenen Motorbetriebszeit erhalten
einen positiven Wert. Wäre
der Prozess in den Zeitpunkten mit positivem Wert gestartet worden,
wäre der
Prozess vollständig
durchlaufen worden. Durch Addieren der Auswerteergebnisse der einzelnen nacheinander
stattfindenden Motorbetriebszeiten erhält man ein über die einzelnen Motorbetriebszeiten kumuliertes
Auswerteergebnis. Anhand der Werte der jedem Zeitabschnitt zugeordneten
positiven und negativen Zähler
stellt dieses einen Wert für
die Wahrscheinlichkeit dar, dass der in diesem Zeitabschnitt ausgelöste Prozess
vollständig
durchgeführt werden
kann oder nicht. Diese Bewertung erfolgt typischerweise anhand eines
vorgegebenen Schwellwertes, der vorliegen muss, damit das Flag auf „Prozessstart" gestellt werden
kann. Anderenfalls nimmt dieses Flag den Wert „Prozesssperre" ein. Der Schwellwert
ist üblicherweise
durch die Differenz zwischen dem Positivzähler und dem Negativzähler eines
Zeitpunktes bzw. innerhalb eines Zeitintervalls definiert. Auf diese
Weise lassen sich Fahrmuster in einfacher Art erzeugen und auswerten.
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In
einer Erweiterung dieses Verfahrensschrittes erfolgt eine Auswertung
in Abhängigkeit
von der Abgastemperatur. Ist die Abgastemperatur beispielsweise
relativ niedrig, wird für
einen Rußabbrand
eine längere
Zeit benötigt
als mit einer höheren Abgastemperatur.
Eine Auswertung bei niedrigerer Abgastemperatur der nach einem Motorstopp
zurückliegenden
Motorbetriebszeit erfolgt mit der Maßgabe, dass von dem Motorstopp
zurückreichend
eine größere Zeitspanne
negativ beurteilt werden wird, wohingegen bei einer höheren Abgastemperatur
die ausgehend von dem Motorstopp zurückliegende, negativ zu bewertende
Zeit bzw. beobachtete Zeitintervalle geringer ist.