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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer während des
Betriebs einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors,
auftretenden dynamischen Rußemission.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Steuergerät zur Steuerung und Regelung
einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, wobei
das Steuergerät
mindestens ein Kennfeld aufweist und mittels des Kennfelds eine
dynamische Rußemission während des
Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelbar ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere
auf einem Steuergerät,
ablauffähig
ist.
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Zur
Steuerung und/oder Regelung des Betriebs einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Dieselmotors mit einem Partikelfilter, werden
den Betrieb der Brennkraftmaschine beeinflussende Einflussfaktoren
durch Sensoren erfasst und einem Steuergerät zugeführt. Das Steuergerät weist
dabei eine Speichereinheit auf, in die für ein oder mehrere Einflussfaktoren
Ausgangswerte für
bestimmte Zielgrößen hinterlegt
sind. Die Speichereinheit ist hierbei beispielsweise als sogenanntes
Kennfeld ausgebildet. Die während
des Betriebs der Brennkraftmaschine mittels der Sensoren erfassten
Werte der Einflussfaktoren werden einer Funktionseinheit in dem
elektronischen Steuergerät
zugeführt,
die aus den in dem Kennfeld gespeicherten Ausgangswerten diejenigen Ausgangswerte
auswählt,
die den erfassten Werten der Einflussfaktoren zugeordnet sind. Diese
durch das Steuergerät
bzw. die Funktionseinheit in dem Steuergerät ermittelten Ausgangswerte
für die
Zielgrößen werden
zur Steuerung und/oder Regelung des Verbrennungsmotors herangezogen.
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Wesentliche
den Betrieb der Brennkraftmaschine beeinflussende Einflussfaktoren
sind eine aktuelle Kraftstoffmenge und eine aktuelle Frischluftmenge.
Insbesondere das Verhältnis
von Kraftstoffmenge zu Frischluftmenge, der sogenannte Lambda-Wert,
ist ein für
die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine wesentlicher Einflussfaktor.
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Eine
Zielgröße, die
im wesentlichen von dem Lambda-Wert, also dem Mischungsverhältnis von Kraftstoffmenge
und Luftmenge, abhängt,
ist die während
des Betriebs der Brennkraftmaschine bei der Verbrennung des Kraftstoffs
entstehende Rußemission.
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Um
gesetzlichen Vorgaben bezüglich
des maximal zulässigen
Ausstoßes
von Partikeln, die maßgeblich
durch Ruß gebildet
sind, zu genügen,
ist in dem Abgastrakt ein Partikelfilter angeordnet. In diesem wird
ein Großteil
der sich in dem Abgas befindlichen Partikel herausgefiltert. Die
Partikel werden hierzu in dem Partikelfilter abgelagert, was als "Beladen" des Partikelfilters
bezeichnet wird.
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Um
einen sicheren und effizienten Betrieb des Partikelfilters zu erreichen,
muss der Partikelfilter regelmäßig regeneriert
werden, was durch Abbrennen des in dem Partikelfilter angesammelten
Rußes erfolgt.
Hierzu ist eine möglichst
genaue Abschätzung
der gesamten in einem Partikelfilter eingelagerten Rußmenge notwendig.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass ein von der aktuellen
Beladung des Partikelfilters abhängender
Strömungswiderstand
des Partikelfilters mittels eines Sensors erfasst wird. Zur Verbesserung
der Genauigkeit der Beladungserkennung wird zusätzlich eine Simulation einer
sogenannten stationären
Rußemission
herangezogen, welche in Abhängigkeit
von einem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in einem Kennfeld
abgespeicherte Werte für
eine aktuelle Rußemission
bereitstellt.
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Die
gesamte Rußemission
setzt sich aus der stationären
Rußemission
und aus der dynamischen Rußemission
zusammen, wobei die dynamische Rußemission einen während eines
dynamischen Fahrbetriebs zusätzlich
auftretenden Rußstoß beschreibt. Um
die Beladung des Partikelfilters möglichst genau abzuschätzen, ist
folglich neben der kennfeldabhängigen
Stationäremission
auch die dynamische Rußemission
von Bedeutung.
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Zur
Ermittlung der dynamischen Rußemission
wird zunächst
die Differenz zwischen einem aktuell gemessenen Lambda-Wert und
einem stationären Lambda-Wert
als ein Maß für den dynamischen
Motorbetrieb herangezogen. Der stationäre Lambda-Wert kann ebenfalls
in dem Steuergerät,
beispielsweise in Form eines Kennfelds, abgelegt sein. Die dynamische
Rußemission
wird dann mittels einer in dem Steuergerät abgelegten Software ermittelt, wobei
die dynamische Rußemission
von einem aktuell gemessenen Lambda-Wert und der Differenz zwischen
dem gemessenen Lambda-Wert und dem stationären Lambda-Wert abhängt. Die
stationären Lambda-Werte
zur Berechnung der dynamischen Rußemission sind ebenfalls mittels
eines Kennfelds in dem Motorsteuergerät hinterlegt.
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Die
für die
dynamische Rußemission
charakteristischen Lambda-Werte liegen jedoch außerhalb des Wertebereichs der
experimentell ermittelbaren stationären Lambda-Werte für die stationäre Rußemission.
Eine Bedatung des Kennfelds für
die Ermittlung der dynamischen Rußemission wird daher mittels
spezieller Experimente durchgeführt.
Die Durchführung
dieser Experimente zur Ermittlung der relevanten Daten ist ein äußerst aufwendiges
Verfahren, da für
eine derartige messtechnische Erfassung der dynamischen Rußemission
aufwendige dynamische Prüfstandsversuche
mit Hochleistungsmesstechnik erforderlich sind.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur sicheren und
genauen Ermittlung der dynamischen Rußemission bereitzustellen und
gleichzeitig eine aufwendige Bedatung des Kennfeldes zu vermeiden.
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass auf der Grundlage von mittels einer stationären Vermessung der Brennkraftmaschine ermittelten
Messwerten für
mindestens einen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein stationäres Modell
für die
Ermittlung einer stationären
Rußemission
gebildet wird, wobei das stationäre
Modell eine stationäre
Rußemission
in Abhängigkeit
von einem stationären
Lambda-Wert beschreibt. Durch Extrapolation aus dem stationären Modell
wird mindestens eine stationäre
Rußemission
für einen
dynamischen Lambda-Wert ermittelt. Eine dynamische Rußemission
wird dann als Differenz aus der stationären Rußemission für den dynamischen Lambda-Wert und der stationären Rußemission
für den
stationären
Lambda-Wert ermittelt.
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Erfindungsgemäß wird also
ausgehend von einer stationären
Vermessung ein Modell für
die stationäre
Rußemission
in Abhängigkeit
von stationären Lambda-Werten
erzeugt. Hierbei wird zunächst
für bestimmte
stationäre
Lambda-Werte die stationäre Rußemission
experimentell auf einen stationären Prüfstand bestimmt.
Die stationären
Lambda-Werte und die zugehörigen
stationären
Rußemissionen werden
beispielsweise in einem Kennfeld eines Steuergeräts hinterlegt. Eine stationäre Motorvermessung
ist mit deutlich geringerem Aufwand als eine messtechnische Erfassung
der dynamischen Rußemission
möglich.
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Die
Lambda-Werte für
die dynamische Rußemission
liegen jedoch außerhalb
des Wertebereichs der bei der stationären Vermessung der Brennkraftmaschine
erreichbaren Lambda-Werte, insbesondere liegen diese unterhalb der
stationären
Lambda-Werte. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nun die
der stationären
Vermessung zugrundeliegenden stationären Lambda-Werte herangezogen,
um eine dynamische Rußemission
zu bestimmen. Dabei wird zunächst
mittels der stationären Lambda-Werte
und den experimentell erfassten stationären Rußemissionen ein Modell für die stationäre Rußemission
erstellt, das auch stationäre
Rußemissionen
in Abhängigkeit
von Lambda-Werten
kleiner als den experimentell ermittelten beschreibt.
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Ein
derartiges Modell wird zum Beispiel mittels einer Extrapolation
aus dem stationären
Modell für
die stationären
Lambda-Werte erstellt. Durch die Extrapolation ist es möglich, die
stationäre
Rußemission
auch für
Lambda-Werte außerhalb
des Wertebereichs der bei der stationären Motorvermessung zur Verfügung stehenden
Lambda-Werte zu bestimmen. Dies sind insbesondere dynamische Lambda-Werte, die
für die
Ermittlung einer dynamischen Rußemission
herangezogen werden müssen.
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Wird
nun beispielsweise die Brennkraftmaschine in einer Beschleunigungsphase
mit kleineren als den ermittelten stationären Lambda-Werten betrieben,
so ist es möglich,
die entsprechende stationäre
Rußemission
mittels dieses Modells zu bestimmen. Diese ermittelte stationäre Rußemission
ist dann eine Basis für
die Bestimmung der dynamischen Rußemission, die beispielsweise
für die
Bestimmung der Beladung eines Partikelfilters eine wichtige Größe ist.
Die dynamische Rußemission wird
hierbei als Differenz aus der stationären Rußemission für den dynamischen Lambda-Wert
und der stationären
Rußemission
für den
extrapolierten Lambda-Wert ermittelt
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
eine genaue und sichere Ermittlung der dynamischen Rußemission
sicher gestellt, sodass die gesamte Rußemission für den dynamischen Fahrbetrieb
der Brennkraftmaschine, die sich aus stationärer und dynamischer Rußemission
zusammensetzt, ermittelt werden kann, ohne dass hierfür aufwändige initiale
Experimente auf einem dynamischen Prüfstand durchgeführt werden
müssten.
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Ein
weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass durch das Modell für die stationäre Rußemission
sämtliche
möglichen
Lambda-Werte sowohl für die
stationäre
als auch für
die dynamische Rußemission
ermittelt werden können
und nicht wie bei einer stationären
oder dynamischen Motorvermessung lediglich einzelne, diskrete Betriebspunkte
zur Verfügung
stehen. Dadurch ist neben der genauen Ermittlung der stationären Rußemission
auch eine äußerst genaue
Ermittelung der dynamischen Rußemission, also
des Rußstoßes im Partikelfilter
während
des Fahrbetriebs, gewährleistet.
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Vorzugsweise
werden eine Mehrzahl von ermittelten dynamischen Rußemissionen
in ein Kennfeld geschrieben und das Kennfeld wird während des Betriebs
der Brennkraftmaschine zur Ermittlung der dynamischen Rußemission
in Abhängigkeit
von einem aktuell erfassten Lambda-Wert ausgewertet. Dies ermöglicht eine
besonders schnelle Ermittlung einer dynamischen Rußemission.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
werden mehrere stationäre
Modelle für
unterschiedliche Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine für die Ermittlung
einer stationären
Rußemission
in Abhängigkeit
von einem dynamischen Lambda-Wert gebildet. Ein Betriebsbereich
kann beispielsweise vorsehen, dass eine Abgasrückführung vorhanden bzw. aktiviert
ist. Ein anderer Betriebsbereich kann vorsehen, dass eine Abgasrückführung nicht
vorhanden bzw. nicht aktiviert ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil,
dass für
unterschiedliche Bereiche einzelne genauere, für den jeweiligen Betriebsbereich
angepasste Modelle für
die stationäre
Rußemission
erstellt werden können.
Aufgrund der einzelnen Modelle erfolgt dann die Bestimmung der stationären Rußemission
für außerhalb
des messbaren Wertebereichs liegenden Lambda-Werte. Dadurch ist
eine äußerst genaue
Bestimmung der dynamischen Rußemission
für den
jeweiligen Betriebsbereich und damit für den gesamten Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine weiter sicher gestellt. Vorzugweise werden hierbei
die unterschiedlichen Modelle in einem oder mehreren Kennfeldern
abgespeichert und es wird die dynamische Rußemission in Abhängigkeit
von dem aktuell erfassten Lambda-Wert und einem den Betriebsbereich
kennzeichnenden Parameter bestimmt.
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Vorteilhafterweise
wird aus dem stationären Modell
mindestens eine stationäre
Rußemission
für einen
dynamischen Lambda-Wert zusätzlich
durch eine Interpolation der stationären Rußemissionen ermittelt, wodurch
eine besonders genaue Modellierung der Rußemission für die gewünschten Lambda-Werte erreicht
wird. Durch eine Kombination von Interpolations- und Extrapolationsverfahren
für das Modell
der stationären
Rußemission
ist eine genaue Bestimmung der Rußemission für Lambda-Werte, die außerhalb
des Wertebereichs der durch die stationäre Motorvermessung experimentell
erfassbaren Lambda-Werte liegen und für die dynamische Rußemission
charakteristisch sind, weiter gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Steuergerät der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
dass das Steuergerät
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergerichtet ist. Insbesondere umfasst das Steuergerät ein Kennfeld,
wobei die Daten in dem Kennfeld mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelt sind.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein Computerprogramm der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass das Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
programmiert ist. Damit stellt das Computerprogramm ebenso die Erfindung
dar wie das Verfahren, zu dessen Durchführung das Computerprogramm
programmiert ist.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus weiteren abhängigen
Ansprüchen
und aus der folgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung der ECU-Software zur Berechnung der dynamischen
Rußemission;
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2 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahren; und
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3 einen
Vergleich zwischen einem experimentell ermittelten Kennfeld und
einem nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ermittelten Kennfeld.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Funktionalität zur Berechnung der dynamischen Rußemission
dmSoot,dyn, wobei die Berechnung aus gemessenen
Lambda-Werten λgemessen und
aus stationären
Lambda-Werten λstat erfolgt, die beispielsweise in einem
Steuergerät
zur Steuerung und Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine abgespeichert sind.
Die gemessenen Lambda-Werte λgemessen werden dabei durch einen geeigneten
Sensor in dem Abgassystem ermittelt. Die dynamische Rußemission dmSoot,dyn ist in dem Steuergerät in Abhängigkeit
von dem gemessenen Lambda-Wert λgemessen und der Differenz zwischen dem gemessenen
Lambda-Wert λgemessen und in dem Steuergerät abgelegten
stationären Lambda-Wert λstat modelliert.
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Hierzu
wird der gemessene Lambda-Wert λgemessen zum einen direkt in das Kennfeld 1 und
zum anderen in eine Funktionseinheit 2 übertragen. In der Funktionseinheit 2 wird
nun die Differenz Δλ = λgemessen – λstat zwischen
dem gemessenen Lambdawert λgemessen und einem stationären Lambda-Wert λstat,
den die Brennkraftmaschine an diesem Betriebspunkt annimmt, berechnet.
Die Differenz des gemessenen Lambdawertes λgemessen und
des stationären
Lambda-Wertes λstat wird nun auch in das Kennfeld 1 übertragen.
Diese Differenz beschreibt den dynamischen Lambda-Wert Δλ In dem Kennfeld 1 wird
dann die dynamische Rußemission
ermittelt.
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Die
Bedatung des Kennfelds 1 mit Lambda-Werten für die dynamische
Rußemission
war bisher äußerst aufwendig,
da die für
die dynamische Rußemission
relevanten Lambda-Werte
unterhalb des Wertebereichs liegen, die bei einer stationären Motorvermessung
zugänglich
sind. Dadurch war im Betrieb des Motors kein Vergleich von gemessenen Lambda-Werten
für die
dynamische Rußemission
mit in dem Steuergerät
hinterlegten Werten möglich,
um eine optimale Steuerung einer Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
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Dementsprechend
werden die Lambda-Werte für
die dynamische Rußemission
nicht direkt ermittelt und beispielsweise in dem Steuergerät abgespeichert,
sondern es wird ein Modell erstellt, das aufgrund von experimentell
ermittelten, stationären Lambda-Werte
die stationäre
Rußemission
für Lambda-Werte,
die für
die dynamische Rußemission
charakteristisch sind, interpoliert und gegebenenfalls extrapoliert.
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2 zeigt
in einem Diagramm für
mehrere verschiedene stationäre
Lambda-Werte 3 die entsprechende, experimentell ermittelte,
stationäre
Rußemission
dmSoot, wobei auf der X-Achse die stationären Lambda-Werte 3 und
auf der Y-Achse die zugehörige
stationäre
Rußemission
dmSoot aufgetragen ist. Aufgrund der einzelnen
stationären
Lambda-Werte 3 wird das Modell M(λ) für die stationäre Rußemission
in Abhängigkeit
von beliebigen Lambda-Werten λ erstellt.
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Die
für die
dynamische Rußemission
dmSoot,dyn charakteristischen Lambda-Werte λdyn liegen unterhalb
der experimentell zugänglichen,
stationären
Lambda-Werte 3. Aufgrund des erstellten Modells M(λ) ist es
nun möglich,
mittels Interpolation und Extrapolation die stationäre Rußemission
dmSoot für diese
Lambda-Werte λdyn zu ermitteln.
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In 2 ist
ferner eine Ausschnittsvergrößerung B
eines Abschnitts des Modells M(λ)
gezeigt. Auf der X-Achse ist ein stationärer Lambda-Werte λstat und
ein für
die dynamische Rußemission
dmSoot,dyn relevanter Lambda-Wert λdyn aufgetragen.
Aufgrund des Modells M(λ)
kann nun für
beide Lambda-Werte die entsprechende stationäre Rußemission dmSoot in dem
Diagramm ermittelt werden. Durch die Differenz der stationären Rußemission
dmSoot(λdyn) für
den dynamischen Lambda-Wert λdyn und der stationären Rußemission dmSoot(λstat)
für den
stationären
Lambda-Wert λstat ist dann die dynamische Rußemission dmSoot,dyn gegeben.
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In 3 ist
ein Vergleich zwischen der Bedatung eines experimentell ermittelten
Kennfeldes, bezeichnet mit λ/Δλ-Kennfeld
(bisher) und einem aufgrund des Modells M(λ) ermittelten Kennfeldes, bezeichnet
mit λ/Δλ-Kennfeld,
für die
dynamische Rußemission
gezeigt, wobei auf der linken Seite das mittels des bekannten aufwändigen experimentellen Verfahrens
bedatete Kennfeld und auf der rechten Seite das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens modellierte
Kennfeld gezeigt ist.
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Bei
dem experimentellen Kennfeld (bisher) ist dabei die Rußmenge mSot gegen den Betriebspunkt Δλ = λgemessen – λstat und
die experimentell ermittelten dynamischen Lambda-Werte 3 aufgetragen. Da experimentell
nur eine endliche Anzahl von diskreten, stationären Lambda-Werten 3 ermittelt
werden können,
ist die sich daraus ergebene Bedatung des experimentellen Kennfeldes
dementsprechend unstetig ausgebildet.
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Bei
dem modellierten Kennfeld ist ebenfalls die Rußmenge mSot gegen
den Betriebspunkt Δλ = λgemessen – λstat dargestellt.
Im Gegensatz zu den diskreten Lambda-Werten 3 des experimentellen
Kennfeldes ist es nun möglich,
die Rußmenge
gegen beliebige, stetige Lambda-Werte λ aufzutragen. Die Verwendung
von stetigen Lambda-Werten λ ist
dabei aufgrund des Modells M(λ)
für die
stationäre
Rußemission
dmSoot möglich.
Dadurch ist die Bedatung des modellierten Kennfeldes entsprechend
glatt ausgebildet.
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Es
ist anhand der beiden dargestellten Bedatungen der Kennfelder gut
zu erkennen, dass die modellierte Bedatung des Kennfelds anhand
des Modells M(λ)
eine sehr gute quantitative Übereinstimmung
mit dem experimentell bedateten Kennfeld ergibt.