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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Ladedrucks einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Verbrennungskraftmaschinen aufzuladen, um bei gleichbleibendem Hubraum höhere Leistungsraten oder aber bei sinkendem Hubraum gleichbleibende Leistungsraten zu erzielen. Hierbei wird die angesaugte Frischluft über einen Verdichter komprimiert und anschließend dem Verbrennungsvorgang zugeführt. Als Verdichtertypen sind aus dem Stand der Technik Abgas-Turbolader, Kompressoren oder aber auch Druckwellenlader bekannt.
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Beim Einsatz eines Druckwellenladers ist es seit einiger Zeit möglich, diesen durch aktive Vorgabe von Betriebsparametern auf den jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Hierdurch erfolgt eine Optimierung und somit ein höherer Wirkungsgrad in den einzelnen Betriebspunkten und/oder ein besseres und agileres Ansprechverhalten der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine.
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Insgesamt lässt sich so der direkte Gaskontakt von Frischgas und Abgas im Druckwellenlader, was ein großer Nachteil sein kann, bestmöglich kompensieren und stellt den Druckwellenlader somit insbesondere in Bezug auf die aktuelle Forderung des Downsizing im Motorenbau als interessante Alternative zum Turbolader oder aber Kompressor dar. Die bisher bekannten Regelungsmodelle basieren auf statischer Veränderung einzelner Betriebsparameter, die aufgrund von Sensorik oder aber Rechentableaus bzw. hinterlegten Kennfeldern über ein Steuergerät an die Aktuatoren weitergegeben werden.
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Aus der
DE 10 2006 020 522 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, bei dem Frischluft durch einen Druckwellenlader komprimiert wird, wobei mindestens ein Betriebsparameter des Druckwellenladers, abhängig von mindestens einer Ist-Betriebsgröße der Verbrennungskraftmaschine, gesteuert oder geregelt wird. Das dort offenbarte Verfahren bedeutet insofern eine Abkehr von den bisherigen starren und im Wesentlichen ungesteuerten bzw. ungeregelten Betriebskonzepten von Druckwellenladern.
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Durch die Anpassung des jeweiligen Betriebszustandes des Druckwellenladers an den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine werden Pumpverluste der Verbrennungskraftmaschine minimiert. Auch kann auf diese Weise das Ansprechverhalten des Druckwellenladers und somit der Verbrennungskraftmaschine verbessert werden und es können die Bedingungen für eine Abgasnachbehandlung optimiert werden.
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Aus der
DE 40 34 341 A1 ist eine Druckwellenladeranordnung bekannt, wobei von einem abgaszuführenden Kanal ein Zufluss zu einer Gastasche abgezweigt ist und dieser Zufluss in Abhängigkeit des Ladedrucks über ein Gastaschenventil steuerbar ist. Das Gastaschenventil selbst wird dabei über eine Steuerleitung angesteuert. Der Gastaschenzufluss wird dabei unter Vermeidung einer Gasabblasung vom Hochdruckkanal in die Atmosphäre im Stillstand und im Notbetrieb der Verbrennungskraftmaschine durch Öffnen des Gastaschenzuflusses mittels Federmitteln realisiert.
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Aus der
DE 698 23 039 T2 ist eine Druckwellenladeranordnung bekannt, bei der zur Verbesserung des Betriebsverhaltens des Druckwellenladers und der Brennkraftmaschine zueinander ein drehbares Kaltgasgehäuse angeordnet ist. Das drehbare Kaltgasgehäuse wird dabei im Betrieb des Druckwellenladers eingeregelt, um den Betrieb des Druckwellenladers über den gesamten Kennfeldbereich der Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Regelungs- und Steuerungsverfahren für Druckwellenlader benötigen jedoch den Einsatz einer Vielzahl von Sensoren und Steuergeräten, die für einen Serieneinsatz, gerade im Kleinfahrzeugsegment, uninteressant sind. Ebenfalls wird durch die vielfach verbaute Sensorik eine hohe Störanfälligkeit bedingt. Der Einsatz von redundanten Sensorsystemen würde hier zu noch höheren Herstellungs- und Wartungskosten führen.
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Aufgrund der Druckunterschiede zwischen Ansaugtrakt und Abgastrakt bildet sich ein gasdynamischer Vorgang in den Rotorzellen des Druckwellenladers selber, der eine schier unendliche Zahl von thermodynamischen Zustandsgrößen hervorbringt. Da diese oft nur durch sehr lange und sehr komplexe Zahlenwertgleichungen berechenbar sind, ist eine detaillierte Modellierung eines Druckwellenladers, die auf einem Steuergerät implementiert werden könnte, mit den heutigen CAE-Methoden nicht möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines Druckwellenladers bereitzustellen, welche das Emissionsverhalten, das Ansprechverhalten, die Dauerhaltbarkeit und den Wirkungsgrad eines Druckwellenladers für eine Verbrennungskraftmaschine optimiert und gleichzeitig einen von äußeren Einflüssen weitestgehend unabhängigen Serieneinsatz ermöglicht.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung eines Ladedrucks einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladedruck durch einen Druckwellenlader aufgebaut wird, welcher einen Zellrotor und ein Zellrotorgehäuse aufweist und an den Druckwellenlader ein Kanal 1 zum Ansaugen von Frischluft, ein Kanal 2 zum Abführen der komprimierten Frischluft, ein Kanal 3 zum Zuführen von Abgas und ein Kanal 4 zum Abführen von Abgas angeschlossen sind und der Druckwellenlader ein Kaltgasgehäuse, an dem Kanal 1 und Kanal 2 angeschlossen sind, und ein Gastaschenventil, das im Bereich des Kanal 3 angeordnet ist, aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Position des Stellelements in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert der Gastaschenventilstellung eingestellt und/oder geregelt wird.
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Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei dem Stellelement um ein verdrehbares Gehäuse, ein Stellelement, einen Kantenschieber oder aber eine Steuerwalze, die über einen geometrischen Versatz von Kanal 3 und Kanal 4 zu Kanal 1 und Kanal 2 die Ein- bzw. Austrittsöffnungen variabel verändern kann. Vorzugsweise ist das Stellelement im Rahmen der Erfindung an der Kaltgasseite des Druckwellenladers angeordnet. Es kann jedoch auch an der Heißgasseite angeordnet sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin das Gastaschenventil, welches im Bereich von Kanal 3 angeordnet ist, ein Blowby-Ventil, welches den Gasdurchsatz in einem Kanal 3' regelt. Der Kanal 3' grenzt dabei an Kanal 3 an und führt ebenfalls direkt in die Rotorzellen des Zellrotors. Über das Gastaschenventil ist eine variable Öffnung von 0 bis 100% des Kanals 3' möglich. Das Gastaschenventil kann im Rahmen der Erfindung dabei auch einen direkten Bypass zwischen Kanal 3 und Kanal 4 ausbilden. Ebenfalls kann über das Gastaschenventil dann die Öffnung des Bypasses von Kanal 3 zu Kanal 4 variabel geregelt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet daher eine Lösung zur optimalen, dynamischen Einstellung des Motorbetriebszustandes auf Basis von Energieänderungen, welche in Kanal 3 anliegen. Bei dem dynamischen Regelungsverfahren ändert sich vordergründig die Anforderung an den Ladedruck-Sollwert. Eine Regelung und Steuerung des Ladedruck-Sollwertes erfolgt über die Gastaschenventilstellung. Die Positionsänderung des Gastaschenventils erzeugt einen Energieimpuls im Kanal 3 des Druckwellenladers. Diese Energieänderung wirkt sich in den Zellen des Zellrotors aus und somit auf die zu komprimierende bzw. komprimierte Frischluft. Um hier einen Abgasdurchbruch von Kanal 3 in Kanal 2 zu verhindern, wird das Stellelement mit einem Korrekturwert in Abhängigkeit der Positionsänderung des Gastaschenventils eingestellt. Insbesondere wird hier der Relativwert der Differenz der Gastaschenventilstellung als Regelgröße ausgewertet und ein Korrekturwert als Relativwert als Steuerungssignal wiedergeben.
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Bei dem dynamischen Regelungsverfahren zur Positionsänderung des Stellelements ist eine weitere wichtige bevorzugte Eingangsgröße die Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine. Hierzu ist zunächst eine Eingrenzung der aktuellen Position des Stellelements wichtig. Diese wird vorzugsweise im Rahmen der Erfindung durch eine Kennfeldstruktur von aktuellem Ladedruck-Istwert und der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine mit einem Maximalwert und einem Minimalwert bestimmt. Zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert wird aufgrund der Differenz der Gastaschenventilstellung und der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine eine optimale Position des Stellelements oder aber eine Korrekturverstellung des Stellelements ermittelt.
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Durch die Eingrenzung von Maximalwert und Minimalwert der Position des Stellelements wird ein Abgasdurchbruch oder aber eine Fehlstellung des Stellelements vermieden, was sich optimierend auf das Emissionsverhalten und das Ansprechverhalten der gesamten Verbrennungskraftmaschinenanordnung auswirkt.
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Die erfindungsgemäße dynamische Ladedruckregelung kann entweder Open-Loop oder Closed-Loop stattfinden. Insgesamt lässt sich hierdurch ein bedeutend schnelleres Regelungsverhalten und damit Ansprechverhalten bei gleichzeitig geringem Hardware- und Softwareaufwand zur Regelung und Steuerung erreichen.
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Die Relativverstellung des Gastaschenventils ist die Differenz der Verstellung über die Zeit gemessen oder die Relativverstellung zwischen Ist-Wert des Gastaschenventils und Soll-Wert, welcher aus einem Kennfeld bestimmbar ist. Die optimale Position des Gastaschenventils ist die optimale Position zum Erreichen eines höchstmöglichen Wirkungsgrades im Zusammenspiel von Verbrennungskraftmaschine und Druckwellenlader. Die Differenz bzw. die Relativverstellung des Gastaschenventils im Vergleich zu der ermittelten oder aber errechneten Optimalposition ist ein Wert, welcher zeigt, wie optimal der Druckwellenprozess arbeitet. Der Relativwert kann daher als Regelgröße für die Optimierung des Druckwellenprozesses genommen werden. Wenn eine optimale Betriebsposition erreicht ist, wird die Regelgröße zur Relativverstellung des Gastaschenventils gegen Null gehen und somit auch die Korrekturen für andere Stellelemente. Die Steuerzeiten für diesen Regelungsprozess liegen im Bereich von 5 bis 10 ms.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter einer Relativmotorleistung folgende Definition zu verstehen. Die gewünschte Motorleistung wird durch die maximal mögliche Motorleistung geteilt und mit 100% multipliziert. Dies ergibt dann eine Relativmotorleistung, die, ausgedrückt in Prozent, von der maximal möglichen Motorleistung erfassbar ist. Vorzugsweise wird die Relativmotorleistung immer bezogen auf eine Motordrehzahl gesehen. Bezogen auf ein Kennfeld, welches Leistung über Drehzahl darstellt, ist die Relativmotorleistung immer in der Vertikalen für einen Drehzahlbereich zu sehen. Da das Regelungsverfahren dynamisch ausgeführt wird, wird zwar zunächst auf der Vertikalen ein konkreter Drehzahlwert erfasst, aufgrund der zeitlich hoch aufgelösten Regelung und Steuerung ist der Prozess dennoch als dynamisch anzusehen, da eine Drehzahlsteigerung oder aber Abnahme durch die Zeitintervalle der Regelung und Steuerung berücksichtigt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, die Steuerung und Regelung über eine Relativlast zu erreichen. Die Relativlast ist dabei die Soll-Last, welche beispielsweise durch die Fahrpedalstellung bestimmt wird geteilt durch die maximal mögliche Last der jeweiligen Drehzahl mal 100%.
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Im Rahmen der Erfindung ist eine Verbrennungsmotor-Drehmomenten-Struktur eine Strategie, auf der eine Motormanagementsteuerung aufbaut. Die gesamte Regelung des Verbrennungsmotors wird bezogen auf das Drehmoment in Nm. In so einem Fall sind der Wunsch- bzw. Sollwert und der Istwert der Steuerung auch in Nm wiedergegeben. Die Verbrennungsmotor-Drehmomenten-Struktur kann also in Nm arbeiten, sie kann aber auch auf der Basis einer relativen Last arbeiten. Die jeweilige Verbrennungsmotor-Drehmomenten-Struktur ist herstellerspezifisch abhängig vom Steuergerät, welches an dem Verbrennungsmotor verbaut ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird die Laderdrehzahl des Zellrotors in Abhängigkeit der Gastaschenventilstellung eingestellt und/oder geregelt. Bei der Laderdrehzahl handelt es sich somit um die Drehzahl des Druckwellenladers. Vorzugsweise wird dieser über einen eigenen Motor, insbesondere Elektromotor, angetrieben, weshalb die Laderdrehzahl beliebig variabel einstellbar ist. Auch hier wird besonders bevorzugt über die Differenz der Gastaschenventilstellung, also die relative Verstellung des Gastaschenventils, die Laderdrehzahl mit einem Absolutwert und/oder relativen Korrekturwert eingestellt und/oder geregelt. Insbesondere erfolgt die Regelung der Laderdrehzahl des Zellrotors kombiniert mit der Einstellung der Position des Stellelements.
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Auch bei dem dynamischen Verfahren zur Einstellung des Ladedrucks mittels der Laderdrehzahl des Zellrotors wird die Laderdrehzahl bevorzugt eingegrenzt. Die Eingrenzung kann in Abhängigkeit des Ladedruck-Istwertes und der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden. Auch hier ist ein Maximalwert und ein Minimalwert der Laderdrehzahl zur Eingrenzung optional bestimmbar.
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Besonders bevorzugt werden mit den zuvor genannten Parametern Ladedruck-Istwert und Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine über eine Kennfeldstruktur die oberen und unteren Grenzwerte bestimmt sowie die Korrekturwerte dazwischen ermittelt. Der so ermittelte Wert für einen Laderdrehzahl-Sollwert wird somit als Korrekturwert an die Laderdrehzahlsteuerung abgegeben.
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Weitere Vorteile, Aspekte, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Die schematischen Figuren dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung des Kreislaufes von Ansaugluft über die Verbrennungskraftmaschine bis zur Abgasabführung;
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2 ein Flussdiagramm zur dynamischen Regelung der Position des Stellelements;
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3 ein Kennfeld.
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Die 1 zeigt einen Teilbereich einer Verbrennungskraftmaschine A in einer hier dargestellten Ausführungsversion als Ottomotor. Der Druckwellenlader B weist vier an diesem angeschlossene Kanäle (1, 2, 3, 4) auf. Dieses sind der Kanal 1 (1) im Bereich der angesaugten Frischluft, der Kanal 2 (2) im Bereich der komprimierten Frischluft zur Zuführung zu einem Ladeluftkühler J und einer sich daran anschließenden Drosselklappe K nach der die komprimierte Frischluft dem Brennraum 10 zugeführt wird. Weiterhin ein Kanal 3 (3), der nach dem Auslassventil 6 und einem Katalysator vor dem Druckwellenlader B angeordnet ist, um das Abgas in den Druckwellenlader B einzuführen. Ebenfalls im Kanal 3 (3) angeordnet ist ein Gastaschenventil mit einem Gastaschenventilstellmotor F. Im Bereich des Abgasstranges S weist der Druckwellenlader B den Kanal 4 (4) zur Abführung des Abgases nach dem Kompressionsvorgang im Druckwellenlader B auf. Der Kanal 4 (4) weist ebenfalls einen Oxidationskatalysator M auf.
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Dargestellt ist weiterhin eine Schnittansicht durch den Zylinder, wobei ein Einlassventil 5, ein Auslassventil 6, ein Kolben 7, eine Zündkerze 8, eine Einspritzdüse 9 und ein Brennraum 10 gezeigt ist. An die Brennkraftmaschine A ist ein Druckwellenlader B angeschlossen.
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Der Druckwellenlader B weist weiterhin eine Kaltgasgehäuseseite 11 sowie eine Heißgasgehäuseseite 12 auf. In der Kaltgasgehäusehälfte 11 ist ein Stellelement D angeordnet. Das Stellelement D wird durch einen Steuerscheibenstellmotor angesteuert. Der in dem Druckwellenlader B angeordnete Rotor C wird über einen elektrischen Rotormotor E angesteuert.
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Die angesaugte Frischluft folgt einem Weg durch den Kanal 1 (1) in die jeweils am Kanal 1 (1) anliegende Rotorzelle 13 und wird im Druckwellenlader B komprimiert. Die komprimierte Luft wird dann im Auslassbereich des Kanals 2 (2) über den Kanal 2 (2) dem Einlassventil 5 zugeführt. Hierbei ist dem zwischengeschaltet noch ein Umluftventil mit dazugehörigem Stellmotor H in Kanal 2 (2) angeordnet, um den Ladeluftkühler und den Brennraum 10 durch eine Bypassleitung zu umgehen. Im Ladeluftkühler J wird die komprimierte und erhitzte Luft abgekühlt, so dass sich ihr Volumen verkleinert, was zu einem höheren Zylinderfüllungsgrad im Brennraum 10 führt.
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Es folgt der Einlasstakt, gefolgt von dem Kompressionstakt, dem Verbrennungstakt und dem Auslasstakt am Beispiel des Viertaktmotors. Im Rahmen der Erfindung ist aber auch die Verwendung für einen anders getakteten Motor vorstellbar.
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Im Auslasstakt wird das im Brennraum 10 gebildete Abgas durch den Kanal 3 (3) dem Druckwellenlader B wieder auf der Heißgasseite zugeführt. Dabei ist ein Katalysator L zwischengeschaltet, der eine erste Abgasnachbehandlung vornimmt. Im Kanal 3' (3') befindet sich das Gastaschenventil F, das angetrieben über einen Gastaschenventilstellmotor F einen vermehrten Eintritt von Restgas in die Rotorzellen 13 über die Einlassöffnung des Kanals 3' (3') ermöglicht und/oder Abgas vorbei am Rotor führt direkt in Kanal 4 (4). Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich das Abgas direkt über das Gastaschenventil von Kanal 3' (3') in Kanal 4 (4) zu leiten.
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Die Druckwelle komprimiert die durch den Kanal 1 angesaugte Frischluft und sorgt dafür, dass die komprimierte Frischluft in den Kanal 2 (2) strömt und wird anschließend durch die Auslassöffnung der Rotorzellen am Kanal 4 (4) in den Abgasstrang überführt. Das Abgas durchströmt dann gegebenenfalls weitere Abgasnachbehandlungskomponenten, beispielsweise in Form eines Oxidationskatalysators M.
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Weiterhin sind in der 1 Messpunkte angegeben, die mögliche Abgriffe von benötigten Betriebsgrößen darstellen. Position 1 zeigt einen Abgriff von Messdaten im Ansaugbereich der Frischluft. Pos. 2 US zeigt einen Abgriff von Messgrößen im Bereich der verdichteten Frischluft vor dem Ladeluftkühler J. Pos. 2 DS zeigt einen Abgriff nach der Drosselklappe K kurz vor dem Einlassventil 5 der Verbrennungskraftmaschine A. Pos. 3 US zeigt einen möglichen Abgriffspunkt im Kanal 3 (3). Pos. 3 DS zeigt einen Messpunkt im Kanal 3 (3) vor dem Eintritt in den Druckwellenlader B. Die Pos. 3 US und 3 DS sind jeweils so gewählt, dass sie den Gesamtstrom nach bzw. vor dem Umluftventil H bzw. Gastaschenventil F messen, um so Messdaten für eine Umluftventilstellung oder Gastaschenventilstellung zu liefern.
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Pos. 4 zeigt einen möglichen Messpunkt im Abgasstrang S nach dem Druckwellenlader B. Die hier dargestellten Messpositionen haben sich im Rahmen der Erfindung als vorteilig erwiesen, können jedoch je nach Anwendungsfall um weitere Messpositionen ergänzt oder verringert werden und auch in ihrer örtlichen Position frei wählbar gesetzt werden.
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Die nachfolgend eingefügte Tabelle beschreibt ein mögliches Regelungs- und Steuerungsflussdiagramm gemäß
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| Parametername | Beschreibung |
| gpv_ctrl_pre_boost_atm_map | Gastaschenventil pre-controll Kennfeld für optimal Atmospherical Kondition |
| gpv_ctrl_pre_boost_cor_texh | Gastaschenventil pre-controll Korrektur Kennfeld im Abhängigkeit von Abgastemperatur vor Druckwellenlader |
| gpv_ctrl_pre_boost_corr_teng | Gastaschenventil pre-controll Korrektur Kennfeld im Abhängigkeit von Motor Temperatur |
| gpv_ctrl_pre_boost_map | Gastaschenventil pre-controll Kennfeld |
| gpv_meas | Aktuelle Position des Gastaschenventil |
| gpv_Neng | Drehzahl des Verbrennungsmotors |
| nmot_w_rpm | Drehzahl von Verbrennungsmotors |
| prc_gpv_boost_aim | Sollwert Ladedruck |
| prc_gpv_diff_trans_corr_perc | Prozessdifferenz im Gastaschenventil für Transient Verfahren |
| prc_gpv_ol_cl_flag | Flag fur Open- oder Closed-loop control Gastaschenventil |
| prc_gpv_pre_boost_perc | Prozess Sollwert Gastaschenventil vor Korrektur Prozess Gastaschenventil-Korrektur im Abhängigkeit von |
| prc_gpv_pre_boost_corr_texh_perc | Abgastemperatur vor Druckwellenlader |
| prc_gpv_pre_boost_corr_teng_perc | Prozess Gastaschenventil Korrektur im Abhängigkeit von Verbrennungsmotor Temperatur |
| prc_gpv_pre_boost_corr_perc | Prozess Sollwert Gastaschenventil nach Korrektur |
| tanvkm_w | Temperatur Abgas vor Druckwellenlader |
| tmot_w | Temperatur Kühlwasser Verbrennungsmotor |
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3 zeigt in schematischer Ausführungsvariante ein Kennfeld einer Verbrennungskraftmaschine, in dem noch einmal schematisch dargestellt wird, wie sich die Relativmotorleistung ergibt. Zunächst ist in dem Kennfeld auf der Y-Achse die Motorleistung in kW dargestellt und auf der X-Achse die Motordrehzahl in U/min. Wird beispielsweise bei einem Betriebspunkt, welcher sich bei 4.000 U/min befindet, eine Wunschmotorleistung durch die Fahrpedalstellung angefordert, so ergibt sich ein Wunschbetriebspunkt, welcher in 3 mit dem Punkt W dargestellt ist. In Relation hierzu ist an der Vorlastlinie V die maximal erreichbare Motorleistung bei 4.000 Umdrehungen begrenzt und mit dem Punkt M eingezeichnet. Wird nun die gewünschte Motorleistung durch die maximal mögliche Motorleistung geteilt und mit 100 multipliziert, so ergibt sich die Relativmotorleistung in %. Als Formel ausgedrückt ergibt sich folgendes: W / M·100% = Relativmotorleistung
