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Stand der Technik
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Sehr viele technische Systeme werden von Steuer- und Regelgeräten gesteuert und/oder geregelt. Diese Steuer- und Regelgeräte, nachfolgend als Steuergerät bezeichnet, haben in aller Regel einen oder mehrere Sensoren, welche für den Betrieb des Systems relevante Größen erfassen und mindestens einen, in aller Regel jedoch mehrere Aktoren. Mittels der Aktoren kann das System so gesteuert werden, dass es einen vorgegebenen Betriebszustand erreicht beziehungsweise behält. Dabei sind in vielen Steuergeräten, zum Beispiel in den Steuergeräten von Brennkraftmaschinen, Funktionen implementiert, die dazu dienen, Fehler des technischen Systems zu erkennen und in geeigneter Weise zu korrigieren. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, einen Fehler des Systems zu erkennen. Zum einen kann dies durch die Diskrepanz zwischen einem Messwert (Ausgangssignal eines Sensors) und einem festgelegten Sollwert erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, einen im System auftretenden Fehler durch den Vergleich mehrerer (diversitär) redundanter Messungen oder durch den Vergleich einer oder mehrerer Messungen mit einer oder mehreren modellbasierten Größen zu erfassen.
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Wenn ein solcher Gesamtfehler vorliegt, kann der Gesamtfehler von einer einzelnen Komponente des technischen Systems verursacht werden. Dieser Fall ist jedoch vor allem bei komplexen technischen Systemen eher die Ausnahme als die Regel. In aller Regel setzt sich ein Gesamtfehler aus den Fehlern mehrerer Systemkomponenten oder -modelle zusammen.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff ”Fehler” die Abweichung eines Sensorwertes oder Modellwertes vom tatsächlichen, physikalischen Wert der Systemgröße verstanden. Bei Aktoren wird als Fehler die Abweichung der durch einen Aktor tatsächlich eingestellten Systemgröße von einem vorgegebenen Sollwert verstanden.
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Unter dem Begriff ”Toleranz” wird im Folgenden die Streuung verschiedener Exemplare baugleicher Sensoren oder Aktoren verstanden. Im Zusammenhang mit einem Modell des technischen Systems wird unter Toleranz die mittlere Genauigkeit des Modells verstanden.
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Dies vorausgeschickt wird beim Stand der Technik der Gesamtfehler des Systems meist nur einer einzelnen der möglichen Ursachen, zum Beispiel der statistisch wahrscheinlichsten, zugeordnet und gegebenenfalls korrigiert.
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Aus der
DE 103 31 159 A1 ist ein Ansatz bekannt, bei denen der Korrektureingriff an einer Stelle stattfindet, wobei der Korrektureingriff einen zulässigen Höchstwert nicht überschreiten darf. Ein eventuell verbleibender Restfehler wird dann an einer anderen Stelle im System korrigiert. Der Gesamtfehler wird also nur beim Überschreiten des maximal zulässigen Korrektureingriffs an einer Stelle auf eine weitere Stelle „verlagert”.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Steuerung eines technischen Systems, umfassend mindestens einen Aktor und mindestens einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Systemgröße und Mittel zur redundanten Ermittlung der Systemgröße vorgeschlagen, wobei aus einem Vergleich des Ausgangssignals des Sensors mit den redundant ermittelten Systemgrößen ein Gesamtfehler des Systems ermittelt wird und der Gesamtfehler immer auf mindestens zwei Komponenten, bevorzugt auf alle Komponenten des Systems aufgeteilt wird.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß immer eine Aufteilung des Gesamtfehlers auf alle in Frage kommenden Fehlerursachen beziehungsweise die den Fehler verursachenden Komponenten (Aktoren, Sensoren und/oder Modelle) erfolgt, wird eine bessere Abschätzung des tatsächlichen Zustands des technischen Systems ermöglicht. Infolgedessen ist es möglich, die vorzunehmende Korrektur optimal auf alle fehlerbehafteten Komponenten des Systems zu verteilen. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren qualitativ bessere Informationen über den tatsächlichen Zustand des Systems vorliegen, können alle nachfolgenden Regel- und Steuervorgänge mit größerer Genauigkeit beziehungsweise geringeren Fehlern durchgeführt werden. Infolgedessen wird das erfindungsgemäß optimierte System wirtschaftlicher, effizienter und leistungsfähiger.
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Um die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Aufteilung eines Gesamtfehlers zu minimieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass mindestens zwei diversitäre Mittel zur redundanten Ermittlung der Systemgröße vorhanden sind. So ist es beispielsweise möglich, einen Sensorwert mit Hilfe eines Modells zu überprüfen. Dabei kann das Modell parametrisierbar oder nicht-parametrisierbar sein. Unter einem parametrisierbaren Modell versteht man im Folgenden ein Modell, das Parameter enthält, die gebildet werden, so dass letztere Eingangsgrößen des Modells darstellen.
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Ein Modell stellt einen diversitären Ansatz zur Beschreibung der Systemgröße dar, die von dem Sensor erfasst wird. Alternativ können auch andere Sensoren, die bevorzugt nach einem anderen Messprinzip arbeiten als der erste Sensor, zur Evaluierung des von dem ersten Sensor ermittelten Werts der Systemgröße dienen. Des Weiteren können auch andere Modelle, insbesondere parametrisierbare Modelle, die wiederum Eingangsgrößen von anderen Systemgrößen erhalten, um das Modell zu parametrisieren, zur Evaluierung des Ausgangssignals eines Sensors herangezogen werden. Zwei verschiedene Messprinzipien sind von Vorteil, weil dann die Wahrscheinlichkeit niedriger ist, dass beide Sensoren denselben oder ähnlichen systematischen Fehler aufweisen.
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Wenn einer oder mehrere Sensoren komplett ausfallen, muss dies in aller Regel über eine geeignete Diagnostik abgefangen werden.
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Des Weiteren ist es aus dem gleichen Grund vorteilhaft, wenn mindestens zwei diversitäre Mittel, beispielsweise ein weiterer Sensor, der auf einem anderen physikalischen Messprinzip basiert, oder ein zweites Modell, wobei eines der Modelle parametrisierbar ist und das andere Modell nicht parametrisierbar ist, vorhanden sind.
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Es versteht sich von selbst, dass der Aufwand zur Ermittlung des Gesamtfehlers einer Systemgröße von der Bedeutung der Systemgröße abhängt, so dass bei besonders wichtigen Systemgrößen möglicherweise drei- oder mehrfach redundante Mittel vorhanden sind, während bei weniger kritischen Systemgrößen die Überprüfung mit einem diversitär redundanten Mittel ausreichend ist.
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Wenn das erste Mittel zur redundanten Ermittlung der Systemgröße als Modell eines Teilbereichs des Systems ausgebildet ist, dann ist es möglich, beispielsweise dieses Modell durch die Ausgangswerte anderer Sensoren anzupassen und dadurch eine auf den momentanen Betriebspunkt des Teilsystems angepasste Modellierung zu erreichen. Dadurch steigt die Genauigkeit der Modellbildung. Andererseits steigt auch die Zahl der möglichen Fehlerquellen, da auch die Eingangsgrößen des Modells fehlerbehaftet sind. Alternativ ist daher auch möglich, Modelle einzusetzen, die nicht angepasst werden können. Die Abbildungsqualität dieser Modelle ist in manchen Betriebspunkten etwas weniger gut. Allerdings sind die Zahl der möglichen Fehlerquellen und der Implementierungsaufwand geringer.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gesamtfehler auf alle zur Ermittlung des Gesamtfehlers herangezogenen Modelle, Sensoren und Aktoren aufgeteilt wird. Dadurch sind an den einzelnen Sensoren, Modellen und Aktoren nur jeweils verhältnismäßig kleine Korrekturen vorzunehmen, so dass die Stabilität des Systems gewährleistet bleibt.
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Die Aufteilung des Gesamtfehlers auf die verschiedenen Systemkomponenten oder Modelle ist so vorzunehmen, dass der tatsächliche Zustand des Systems möglichst gut abgebildet wird. Dazu kann beispielsweise der Gesamtfehler durch ein per Applikation festgelegtes Kennfeld abhängig vom Betriebspunkt oder von anderen Größen auf mehrere Systemkomponenten verteilt werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus der Toleranz der Komponenten des Systems nach statistischen Kriterien die wahrscheinlichste Verteilung für die Systemfehler zu ermitteln. Dabei kann die Toleranz der Teilkomponenten wiederum fest vorgegeben sein oder wiederum durch ein Modell dynamisch ermittelt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, wie auch aus dem Stand der Technik schon bekannt, Begrenzungen für die erkannten Fehler der Teilkomponenten festzulegen. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass die erkannten Teilfehler zu einer unerwünscht großen Systemreaktion in Folge der vorgenommenen Korrektur führen. Die Fehleranteile, die die entsprechende Begrenzung überschreiten, können dann wahlweise den anderen Komponenten zugeordnet oder ignoriert werden.
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Die erfindungsgemäße Funktionalität kann ebenfalls dazu dienen, einzelne Systemkomponenten zu überwachen. Übersteigt der zugeordnete Fehler einer Komponente eine festgelegte Schwelle, kann ein Fehlerzustand ausgelöst werden.
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Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die aufgeteilten und ins System wirkenden Korrekturen den tatsächlichen Systemfehler beziehungsweise die tatsächlichen Teilfehler der Teilsysteme besser korrigieren können als eine Korrektur, die sich auf eine einzelne oder zwei Komponenten des Systems beschränkt. Insbesondere sind die tatsächlichen Fehler in den Komponenten in aller Regel statistisch verteilt. Dadurch ist der zu einem gegebenen Gesamtfehler wahrscheinlichste Systemzustand einer, bei dem die Fehler auf mehrere Systemkomponenten verteilt sind.
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Wenn man als beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nimmt, beziehungsweise als technisches System die Brennkraftmaschine heranzieht, dann weicht bei einer Vielzahl baugleicher in Serie gefertigter Fahrzeuge, eine erfindungsgemäße Korrektur des Gesamtfehlers auf verschiedene Einzel-Fehler daher weniger stark von den tatsächlichen Gegebenheiten der einzelnen Fahrzeuge ab als die Zuordnung des Gesamtfehlers zu nur einer Komponente der Brennkraftmaschine. Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Fehler zu korrigieren, bei denen sich die Aufteilung des Gesamtfehlers auf mehrere Teilfehler dynamisch, das heißt beispielsweise abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, ändert. So können sich in verschiedenen Betriebspunkten bei gleichem Gesamtfehler die Beträge der Einzelfehler verändern.
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Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren gewonnene Zustands-Beschreibung des Systems, also aller Messgrößen inklusiver deren Fehler, in sich konsistent ist, wenn man den Gesamtfehler komplett auf die Teilkomponenten des Systems verteilt. Wird beispielsweise sowohl durch Messung mit einem Sensor A als auch durch Messung mit einem Sensor B unabhängig voneinander auf dieselbe physikalische Systemgröße C geschlossen, kann aus der Diskrepanz ein Fehler bestimmt werden und dieser auf beide Sensoren aufgeteilt werden. Wird das jeweilige Ausgangssignal dieser Sensoren mit dem auf diese Weise bestimmten Teilfehler korrigiert, bevor es in weiteren Anwenderfunktionen eingesetzt wird, so ist das resultierende Systemverhalten in sich konsistent unabhängig davon, welchen Sensorwert oder welche Kombination von Sensorwerten weitere Anwenderfunktionen für ihre Berechnungen heranziehen.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich für Funktionen des Systems, welche einen Systemfehler überwachen. Setzt sich dieser Fehler aus mehreren Einzelfehlern oder Teilfehlern zusammen, so kann bei einem erkannten Fehler nicht direkt auf die Ursache geschlossen werden. Durch die erfindungsgemäße Funktion zur Verteilung des Fehlers kann die daraus resultierende Verteilung bei der Fehlersuche genutzt werden. Dadurch kann unter Umständen im Einzelfall auch der unberechtigte Tausch von Komponenten des Systems verhindert werden. Auf jeden Fall ist es jedoch möglich, einen verbesserten Fehlersuchplan zu erzeugen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der 1 und 2 exemplarisch dargestellt. Alle in den Figuren, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung des Lambdasensors.
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In 1 misst ein Sensor 3, der wie alle Sensoren, fehlerbehaftet ist und einen Fehler FS3 aufweist, eine Systemgröße P. Diese physikalische Systemgröße P kann durch ein Modell M1 oder M2 ebenfalls ermittelt werden.
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Dabei ist zu unterscheiden zwischen zwei Gruppen von Modellen M1 und M2. Bei der ersten Gruppe von Modellen M2, hängen die Modelle nur von Eingangsgrößen ab, die keinen Fehler aufweisen oder deren Fehler vernachlässigbar sind. Bei der zweiten Gruppe von Modellen M1, hängen die Modelle von fehlerbehafteten Eingangsgrößen ab.
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Da jedes Modell M eine vereinfachte Abbildung der tatsächlichen physikalischen Gegebenheiten darstellt, hat auch dieses Modell M2 einen Fehler FM2.
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Schließlich wird die physikalische Systemgröße P noch auf eine dritte diversitär redundante Weise mit Hilfe des Modells M1 ermittelt. Dieses Modell M1 gehört zur ersten Gruppe von Modellen, die von Eingangsgrößen abhängt, die fehlerbehaftet sind.
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Im Ergebnis ist also bei diesem Beispiel die Systemgröße P auf drei diversitär redundante Weisen ermittelt worden: Erstens durch den Sensor S3, zweitens durch das nicht parametrisierbare Modell M2 und drittens durch das parametrisierbare Modell M1.
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Auf Grund der Fehler FS1, FS2 und FS3 der Sensoren S1, S2 und S3 sowie der Fehler FM1 und FM2 der Modelle M1 und M2 werden die auf die drei verschiedenen Arten und Weisen ermittelten Werte für die physikalische Systemgröße P voneinander abweichen.
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Aus der Diskrepanz dieser drei unabhängig voneinander ermittelten Werte der Systemgröße P kann auf einen Gesamt-Fehler im System geschlossen werden. Dieser wird nun erfindungsgemäß mit Hilfe geeigneter Kriterien Ki auf die Fehler der Teilkomponenten, die bei der Ermittlung der Systemgröße P beteiligt waren, aufgeteilt werden. So erhält man eine Schätzung für die momentanen Fehler der Sensoren S1, S2 und S3 sowie der Modelle M1 und M2.
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Die Schätzung der Sensorfehler FS1, FS2 und FS3 kann dazu verwendet werden, die Sensorwerte der Sensoren S1, S2 und S3 zu korrigieren, um sie dann anderen Anwenderfunktionen zur Verfügung zu stellen.
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Dabei ist es möglich, das Kriterium oder die Kriterien Ki, anhand derer die Aufteilung des Gesamtfehlers auf die verschiedenen Komponenten und Modelle erfolgt, entweder nach fest vorgegebenen Regeln oder online, beispielsweise mit Hilfe eines betriebspunktabhängigen Kennfelds, aufzuteilen.
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Es ist einfacher, den Gesamtfehler nach fest vorgegebenen Regeln oder Bedingungen (offline) aufzuteilen, da diese Aufteilung dann betriebspunktunabhängig ist. Allerdings ist als Konsequenz dieser Vereinfachung auch damit zu rechnen, dass nicht in jedem Betriebspunkt eine optimale Aufteilung des Gesamtfehlers auf die verschiedenen Komponenten und Modelle stattfindet.
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Alternativ ist es daher auch möglich, die Kriterien anhand derer der Gesamtfehler auf die Komponenten und Modelle aufgeteilt wird, betriebspunktabhängig (online), beispielsweise unter Zuhilfenahme eines geeigneten Kennfelds aufzuteilen. Dadurch ist der Aufwand entsprechend höher. Allerdings kann dadurch sichergestellt werden, dass in allen Betriebspunkten eine sehr realistische Aufteilung des Gesamtfehlers auf die verschiedenen Komponenten und Modelle erfolgt und daher der Systemzustand bestmöglich abgebildet wird.
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Anhand der 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer Funktion, des FMO, welche die eingespritzte Kraftstoffmenge überwacht, erläutert und veranschaulicht.
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Eine Eingangsgröße der Funktion FMO ist Ausgangssignal λs eines Lambdasensors LS. Als diversitär redundantes Mittel zur Ermittlung des Lambdawertes λ ist ein Lambdamodell LM implementiert. Dieses Lambdamodell LM ist ein im Sinne der Erfindung parametrisierbares Modell und hat als Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen MLuft eines Luftmassensensors LMS und eine Solleinspritzmenge an Kraftstoff QK, die vom Motorsteuergerät (nicht dargestellt) ermittelt wird. Somit basiert das modellierte Lambdasignal λM auf dem Ausgangssignal MLuft des Luftmassensensors LMS und der Solleinspritzmenge QK des Kraftstoffs. Die tatsächliche eingespritzte Kraftstoffmenge QKist weicht wegen eines eventuell vorhandenen Einspritzmengenfehlers der Injektoren von dem Sollwert QK ab und auch die gemessene Luftmasse ist fehlerbehaftet. Weitere Teilfehler ergeben sich durch einen Fehler FLM im Lambdamodell LM und einen Fehler FLS des Lambdasensors LS selbst.
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In einem Funktionsblock V wird die Abweichung zwischen dem mit dem Lambdasensor LS gemessenen Lambdawert λs und dem durch das Lambdamodell LM ermittelten Lambdawert λM ermittelt und daraus ein Gesamtfehler FGes gebildet.
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Bei einer herkömmlichen Behandlung dieses Fehlers wird die Abweichung zwischen dem gemessenen Lambdawert λs und dem durch das Lambdamodell ermittelten Lambdawert λM vollständig der Einspritzmenge QK zugeordnet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch der auftretende Gesamtfehler FGes in die Anteile Luftmassensensorfehler FLMS, Einspritzmengenfehler FQK, Lambdasensorfehler FLS und Lambdamodellfehler FLM aufgeteilt.
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Bei dem Beispiel gemäß 2 wird die Aufteilung des Gesamtfehlers mit Hilfe von Kennfeldern/Kennlinien vorgenommen. Dieses Kennfeld KF liefert abhängig von der momentanen Einspritzmenge QK und der gemessenen Luftmasse MLuft Faktoren, die den jeweiligen Anteil von Luftmassenfehler FLMS, Einspritzmengenfehler FQK, Lambdasignalfehler FLS und Modellfehler FLM am Gesamtfehler bestimmen. Die Aufteilung des Gesamtfehlers kann hierbei für die Anteile Luftmassensensorfehler und Einspritzmengenfehler aus den bekannten Toleranzen dieser Komponenten ermittelt werden. So wird beispielsweise bei Injektoren meist eine absolute Toleranz von zum Beispiel ±3 mg/Hub, angegeben, während für den Luftmassensensor LMS eine relative Toleranz von zum Beispiel ±7%, angegeben wird. Auf Basis dieser Annahmen kann für jeden Betriebspunkt, der durch die Einspritzmenge und die Luftmasse bestimmt wird, die prozentuale Verteilung des Gesamtfehlers in Kennlinien beziehungsweise in dem Kennfeld KF abgelegt werden. Beispielsweise folgt aus der Injektortoleranz von ±3 mg/Hub bei einer Einspritzmenge von 43 mg/Hub eine relative Injektortoleranz von ±7%. Daraus folgt, dass an diesem Betriebspunkt für den resultierenden Lambdawert der Einfluss des Einspritzmengenfehlers und des Luftmassenfehlers gleich groß sind. Ein erkannter Gesamtfehler muss also zu gleichen Teilen auf einen Injektorfehler und einen Luftmassenfehler aufgeteilt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren führt also in dem dargestellten Ausführungsbeispiel dazu, dass bei niedriger Last (kleine Einspritzmenge und Luftmasse) die Einspritzmenge stärker als die Luftmasse korrigiert wird. Bei hoher Last (große Einspritzmenge und Luftmasse) kehrt sich die Verteilung der Korrekturen um.
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Für den Anteil des Lambdasensorfehlers FLS kann ebenfalls die bekannte Toleranz von zum Beispiel ±5% herangezogen werden und analog zur oben beschriebenen Methodik über den aktuellen Lambdawert bestimmt werden. Für den Anteil des Lambdamodells LM kann in dem Kennfeld KF der Restfehler FLM des Lambdamodells LM ermittelt werden und in Abhängigkeit des Betriebspunkts hinterlegt werden. Hierbei können optional noch spezielle dynamische Fehler und anderes mehr berücksichtigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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