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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor. Weiterhin betrifft die Erfindung die Bestimmung eines von einem Verbrennungsmotor mit einer mechanisch betätigten Drosselklappe abzugebenden Solldrehmomentes.
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Stand der Technik
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Aus der Druckschrift
DE 197 09 748 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer über einen Seilzug mechanisch betätigten Drosselklappe bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist Verfahren zum Bestimmen eines von einem Verbrennungsmotor mit einer mechanisch betätigten Drosselklappe abzugebenden Solldrehmomentes gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Regeln eines von einem Verbrennungsmotor abzugebenden Istdrehmoments auf ein Solldrehmoment, eine Vorrichtung, insbesondere eine Recheneinheit, ein Verbrennungsmotor und ein Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen angegeben.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Sollgröße, die ein von einem Verbrennungsmotor mit einer mechanisch betätigten Drosselklappe abzugebendes Solldrehmomentes beschreibt, die Schritte:
- – Bestimmen einer Stellung der Drosselklappe, und
- – Bestimmen der Sollgröße basierend auf einer Gegenüberstellung eines zur Stellung der Drosselklappe gehörenden Drosselklappenmassenstroms und eines zum Solldrehmoment gehörenden Zylinderfüllungsstroms in einem stationären Gleichgewicht des Verbrennungsmotors..
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Dem obigen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass in dem eingangs genannten Verbrennungsmotor mit mechanisch betätigter Drosselklappe das Solldrehmoment durch den Drosselklappenwinkel vorgegeben wird. Am Beispiel der Fahrzeugtechnik, gibt ein Fahrer eines Fahrzeuges mit diesem Drosselklappenwinkel ein Gesamtvortriebsmoment für das Fahrzeug vor. Das Solldrehmoment entspricht daher einem Gesamtvortriebsmoment für das Fahrzeug.
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Basierend auf dieser Überlegung liegt dem obigen Verfahren die Erkenntnis zugrunde, dass dieses Gesamtvortriebsmoment damit in einem Verbrennungsmotor mit mechanisch betätigter Drosselklappe ausschließlich über die Drosselklappe und damit über den Verbrennungsmotor darstellbar wäre. Andere Momentenquellen, wie beispielsweise ein Elektromotor könnten dann nicht am Vortrieb des Fahrzeuges partizipieren. Dazu wäre eine Momentenkoordination notwendig, die das vom Fahrer vorgegebene Gesamtvortriebsmoment erfasst, und dann bestimmt, welche Teile des Gesamtvortriebsmoments durch welche Momentenquelle dargestellt werden sollen. Diese am Beispiel der Fahrzeugtechnik beschriebene Problematik findet sich auch auf anderen technischen Gebieten, in denen Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen.
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Zwar wäre es möglich, das Solldrehmoment oder eine das Solldrehmoment beschreibende Sollgröße, wie beispielsweise eine Sollfüllung für die Zylinder des Verbrennungsmotors, über den Drosselklappenwinkel vorzugeben und dieses zunächst ausschließlich vom Verbrennungsmotor einstellen zu lassen. Dann könnte die Ist-Zylinderfüllung des Verbrennungsmotors erfasst werden, die direkt vom Solldrehmoment oder der Sollgröße abhängig ist. Damit wäre eine Ausgangsgröße verfügbar, mit die oben genannte Momentenkoordination arbeiten könnte. Basierend auf dieser Überlegung liegt dem obigen Verfahren jedoch die Erkenntnis zugrunde, dass die Ist-Zylinderfüllung des Verbrennungsmotors nicht direkt vom obigen Drosselklappenwinkel abhängig ist, da in die Ist-Zylinderfüllung die Fahrbarkeitsfilterungen und andere Momenteneingriffe wie beispielswiese durch die Fahrdynamik eingehen. Für die Momentenkoordination ist aber das ungefilterte Solldrehmoment notwendig, das durch den Drosselklappenwinkel vorgegebenen wird. Zudem gehen in die Ist-Zylinderfüllung luftsystemspezifische Fehlereinflüsse, wie z.B. ein Leck zum Saugrohr ein. In diesem Fall wäre die Ist-Zylinderfüllung größer als das tatsächlich durch den Drosselklappenwinkel beabsichtige Solldrehmoment. Daher müssten bei der Zugrundelegung der Ist-Zylinderfüllung für das Solldrehmoment all diese Fehler diagnostiziert und berücksichtigt werden.
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Auch könnten zur Bestimmung der Sollgröße Kennlinien beispielsweise an einem Motorprüfstand entwickelt werden, die einem Drosselklappenwinkel eindeutig einen bestimmten Sollgrößenwert zuordnen. Ein derartiger Zusatzmessaufwand steigert jedoch die Kosten bei der Entwicklung und Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors und sollte daher vermieden werden. Unabhängig davon sind die entwickelten Kennlinien nicht allgemeingültig sondern von Einflussfaktoren wie Höhen- und Temperaturen abhängig, die bei der Entwicklung und Anwendung der Kennlinien berücksichtigt werden müssen. Dabei wären die Werte der Sollgrößen durch sich ändernde Umweltbedingungen und Fehlertoleranzen bei einer Füllungserfassung basierend auf einem Saugrohrdrucksensor, einem Luftmassensensor und/oder einem Drosselklappenmodell stets nicht zu vernachlässigenden Unsicherheiten unterlegen.
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Im Rahmen des obigen Verfahrens wird jedoch erkannt, dass die durch die Drosselklappe strömende Luftmasse im stationären (Betriebs-)Fall des Verbrennungsmotors vollständig dem Zylinderfüllungsstrom entspricht. Diese Erkenntnis mach sich das obige Verfahren zunutze und interpretiert den Luftmassenstrom durch die Drosselklappe als den Massenstrom, mit dem die Zylinder des Verbrennungsmotors zu seinem Betrieb befüllt werden. Die oben genannten luftsystemspezifischen Fehlereinflüsse, wie z.B. das Leck zum Saugrohr im Saugrohr können hier nicht auftreten, so dass die obige Fehlererkennung und -diagnose überflüssig wäre. Stationärer Betriebsfall bedeutet, dass der Verbrennungsmotor mit gleichbleibender Drehzahl und gleichbleibender Last betrieben wird.
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Überraschender Weise liefert das obige Verfahren die Sollgröße auch in einer deutlich kürzeren Zeit im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem die tatsächliche Ist-Zylinderfüllung für die Bestimmung der Sollgröße verwendet wird. Der Drosselklappenmassenstrom kann gegenüber dem Zylinderfüllungsstrom sofort messtechnisch erfasst werden und muss sich nicht erst auf einen stationären Wert einschwingen. Demgegenüber müsste der Luftmassenstrom aus der Drosselklappe zunächst den voluminösen Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors füllen, bis sich der Zylinderfüllungsstrom auf einen stationären Wert eingeschwungen hat und als Referenzgröße für die Sollgröße dienen kann.
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In einer Ausführungsform des obigen Verfahrens ist der Drosselklappenmassenstrom von der Stellung der Drosselklappe über die Drosselgleichung abhängig. Dieser Ausführungsform liegt die Überlegung zugrunde, dass in die dem Fachmann an sich bekannte Drosselgleichung die Temperatur sowie der Druck vor und nach der Drosselklappe des Verbrennungsmotors eingehen. Während die Temperatur sowie der Druck vor der Drosselklappe messtechnisch erfassbar sind, ist der Druck nach der Drosselklappe im oben genannten stationären Fall mit dem Druck in den Zylindern des Verbrennungsmotors verknüpft. Durch das obige Gegenüberstellen der beiden Massenströme kann damit der Druck nach der Drosselklappe und damit in den Zylindern des Verbrennungsmotors berechnet werden.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform des obigen Verfahrens ist der Zylinderfüllungsstrom vom Solldrehmoment über die allgemeine Gasgleichung abhängig. Dieser Ausführung liegt die Überlegung zugrunde, dass die dem Fachmann an sich bekannte allgemeine Gasgleichung die thermodynamischen Zustandsgrößen mit der Masse der in den Zylinder angesaugten Luft, also der Zylinderfüllung, verknüpft. Zu diesen thermodynamischen Zustandsgrößen gehört auch der zuvor genannte Druck nach der Drosselklappe damit in den Zylindern des Verbrennungsmotors. Die obige Masse kann zunächst zur Berechnung des Druckes in einen Massenstrom umgerechnet und mit dem Massenstrom durch die Drosselklappe gegenübergestellt werden. Auf diese Weise wird als Druck der Druck bestimmt, der sich im stationären Betriebszustand als Sollfüllungsdruck einstellt. Mit dem Sollfüllungsdruck kann dann über die allgemeine Gasgleichung die Zylinderfüllung, auch Sollzylinderfüllung genannt, berechnet werden, mit der das obige Solldrehmoment erzeugt werden kann.
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In einer besonderen Ausführungsform des obigen Verfahrens werden der Drosselklappenmassenstrom und der Zylinderfüllungsstrom zum Gegenüberstellen gleichgesetzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des obigen Verfahrens ist die Gegenüberstellung des Drosselklappenmassenstroms und des Zylinderfüllungsstroms im stationären Gleichgewicht des Verbrennungsmotors (stationärer Betriebsfall) in wenigstens einer Kennlinie hinterlegt. Der Ausführungsform liegt die Übererlegung zugrunde, dass die oben genannte Drosselgleichung nichtlineare Berechnungsanteile enthält, die rechentechnisch nur numerisch sinnvoll lösbar sind. Eine numerische Lösung der Drosselgleichung ist während des Betriebs des Verbrennungsmotors jedoch zeitaufwändig. Mit der Kennlinie kann der Rechenaufwand während des Betriebs des Verbrennungsmotors dabei deutlich gesenkt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beschreibt die Sollgröße eine Zylinderfüllung, mit der der Verbrennungsmotor das Solldrehmoment darstellt. Zwar kann die Sollgröße jede beliebige andere das Solldrehmoment beschreibende Größe oder auch das Solldrehmoment selbst sein, die Zylinderfüllung selbst ist jedoch in dem Fachmann an sich bekannten Steuerungskonzepten für Verbrennungsmotoren ohne weiteres verwendbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere Recheneinheit, zum Bestimmen einer Sollgröße, die ein von einem Verbrennungsmotor mit einer mechanisch betätigten Drosselklappe abzugebendes Solldrehmoment beschreibt, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist,
- – eine Stellung der Drosselklappe zu bestimmen, und
- – die Sollgröße basierend auf einer Gegenüberstellung eines zur Stellung der Drosselklappe gehörenden Drosselklappenmassenstroms und eines zum Solldrehmoment gehörenden Zylinderfüllungsstroms in einem stationären Gleichgewicht des Verbrennungsmotors zu bestimmen.
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Die obige Vorrichtung ist beliebig derart weiterbar, dass es eines der angegebenen Verfahren gemäß den Unteransprüchen ausführen kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist eines der obigen Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verbrennungsmotor eine obige Steuervorrichtung zu dessen Ansteuerung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Fahrzeug einen obigen Verbrennungsmotor zu dessen Antrieb.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm dazu eingerichtet, alle Schritte eines der obigen Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist auf einem Elektronischen Speichermedium ein obiges Computerprogramm gespeichert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein elektronisches Steuergerät ein obiges elektronisches Speichermedium auf.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors;
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2 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors; und
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3 ein Kennlinien zur Verwendung bei der Ansteuerung des Verbrennungsmotors.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 2 zeigt.
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Der Verbrennungsmotor 2 umfasst einen Ansaugtrakt 4, über den Frischluft 6 in einer dem Fachmann bekannten Weise zu Zylindern 8 angesaugt werden kann. In diesen Zylindern 8 wird die Frischluft 6 in einer dem Fachmann bekannten Weise mit einem nicht weiter dargestellten Kraftstoff verbrannt und über einen Abgastrakt 10 als Abgas 12 ausgestoßen.
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Durch die Verbrennung der Frischluft 6 und des Kraftstoffes erzeugt der Verbrennungsmotor 2 über seine Zylinder 8 ein Drehmoment 14, das mit dem er beispielsweise über eine Kurbelwelle 16 ein Rad 18 eines nicht weiter dargestellten Fahrzeuges antreiben kann.
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Das Drehmoment 14 ist unter anderem davon abhängig, wie viel Frischluft 6 über den Ansaugtrakt 4 in die Zylinder 8 angesaugt wird. Über eine Drosselklappe 20 kann die Menge der angesaugten Frischluft 6 eingestellt werden. Diese Drosselklappe 20 wird in einer dem Fachmann bekannten Weise über ein Pedal 22 betätigt, das mit der Drosselklappe 20 mechanisch beispielsweise über einen Seilzug verbunden ist. Ein Fahrer des zuvor genannten Fahrzeuges gibt daher mit dem Pedal 22 einen Drosselklappenwinkel 24 vor, dem wiederum ein ganz bestimmtes Drehmoment 14 zugeordnet werden kann. Dieses dem Drosselklappenwinkel 24 zugeordnete Drehmoment 14 soll nachstehend als Solldrehmoment 21 bezeichnet werden, das in 2 näher beschrieben wird.
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In der modernen Fahrzeugtechnik kann es notwendig sein, dieses Solldrehmoment 21 zu kennen, da das auf das Rad 18 wirkende Drehmoment 14 beispielsweise nicht allein durch den Verbrennungsmotor 4 sondern auch durch andere Drehmomentquellen erzeugt werden kann. Dann müsste eine an sich bekannte und in 2 angedeutete Momentenkoordination 25 bestimmen, welche Drehmomentquelle, zu der auch der Verbrennungsmotor 2 gehört, welchen Anteil zum Drehmoment 14 beitragen soll, um das vom Fahrer gewünschte Solldrehmoment 21 darzustellen.
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Dazu ist in der vorliegenden Ausführung eine Steuervorrichtung 26 vorhanden, die den Drosselklappenwinkel 24 sowie eine Eingangstemperatur 28 aus einem Temperatursensor 30 und einen Eingangsdruck 32 vor der Drosselklappe 20 aus einem Drucksensor 34 empfängt. Ferner empfängt die Steuervorrichtung 26 auch eine Drehzahl 36 der Kurbelwelle 16, aus der sich in an sich bekannter Weise auch die Lage der Kurbelwelle 16 bestimmen lässt. Aus diesen Größen berechnet die Steuervorrichtung 26 in nachstehender Weise eine Sollfüllung 38 für die Zylinder 8 des Verbrennungsmotors 2 bei der der Verbrennungsmotor 2 das obige Solldrehmoment erzeugt. Die Sollfüllung 38 ist dabei in einer dem Fachmann bekannten Weise die notwendige Menge an Frischluft 6, die in den Zylindern 8 in einem Verbrennungstakt des Verbrennungsmotors aufgenommen werden muss, um mit dem Verbrennungsmotor 2 das Solldrehmoment als Drehmoment 14 zu erzeugen. Mit der Kenntnis der Sollfüllung 38 ist damit auch das Solldrehmoment 21 bekannt.
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Der Bestimmung der Sollfüllung 38 in der Steuervorrichtung 26 liegt zunächst die dem Fachmann bekannte Drosselgleichung zugrunde, mit der der Massenstrom an Frischluft 6 durch die Drosselklappe 20 über einen Druckabfall an der Drossel und der Temperatur 28 vor der Drossel berechnet werden kann. In der Drosselgleichung wären damit lediglich ein Ansaugtraktdruck 39 nach der Drosselklappe 20 sowie der Massenstrom an Frischluft 6 selbst unbekannt.
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Weiter liegt der Bestimmung der Sollfüllung 38 in der Steuervorrichtung 26 die dem Fachmann bekannte allgemeine Gasgleichung zugrunde, mit der die Masse an Frischluft 6 in den Zylindern 8 über ihr Volumen und ihren Druck in den Zylindern 8 berechnet werden kann. Das Volumen in den Zylindern 8 ist in einer dem Fachmann bekannten Weise über eine Stellung ihres Kolbens und damit der Kurbelwelle 16 bestimmbar, was beispielsweise aus der Drehzahl 36 abgeleitet werden kann. Zeitlich differenziert ergibt die Masse an Frischluft 6 einen Massenstrom. Damit wären analog zur Drosselgleichung auch in der allgemeinen Gasgleichung lediglich der Ansaugtraktdruck 39 nach der Drosselklappe 20 und der Massenstrom an Frischluft 6 unbekannt.
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Im Rahmen der Bestimmung der Sollfüllung 38 in der Steuervorrichtung 26 wird nun ein stationäres Gleichgewicht betrachtet, bei sowohl der unbekannte Ansaugtraktdruck 39 als auch der unbekannte Massenstrom an Frischluft 6 sowohl an der Drosselklappe 20 als auch in den Zylindern 8 gleich sein müssen. Auf diese Weise ergeben die Drosselgleichung und allgemeine die Gasgleichung ein mathematisch lösbares Gleichungssystem, aus dem der Ansaugtraktdruck 39 im obigen stationären Gleichgewicht berechnet werden kann. Die gesuchte Sollfüllung 38, die die Masse der Frischluft 6 in den Zylindern 8 darstellt, ergibt sich dann durch Einsetzen des berechneten Drucks in die allgemeine Gasgleichung.
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Ist die Sollfüllung 34 bekannt, ist somit auch in einer dem Fachmann bekannten Weise das Solldrehmoment 21 bekannt, auf das der Verbrennungsmotor 2 nun geregelt werden könnte. Dies soll anhand eines beispielhaften, in 2 gezeigten Regelkreises erläutert werden, wie er beispielsweise in der Steuervorrichtung 26 implementiert sein könnte.
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In 2 wird die Sollfüllung über drei verschiedene Berechnungseinrichtungen 42, 44, 46 bestimmt. Diese ergeben sich im Wesentlichen daraus, dass die Drosselgleichung nichtlinear ist. Werden die Drosselgleichung und die allgemeine Gasgleichung über den Massenstrom in der oben genannten Weise gleichgesetzt, dann können alle nichtlinearen Terme des Gleichungssystems, die den zu berechnenden Ansaugtraktdruck 39 umfassen in einer dem Fachmann bekannten Weise auf einer Seite des Gleichungssystems zusammengefasst werden. Alle übrigen Terme des Gleichungssystems können auf der anderen Seite des Gleichungssystems zusammengefasst werden, wobei basierend auf den oben genannten Messgrößen ein spezifischer Wert 48 bestimmt werden kann. Dieser spezifische Wert 48 wird in der ersten Berechnungseinrichtung 42 basierend auf dem Drosselklappenwinkel 24, der Temperatur 28, dem Druck 32 vor der Drossel 20 und der Drehzahl 36 bestimmt.
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Ist der spezifische Wert 48 bekannt, kann die oben genannte nichtlineare Gleichung mit dem spezifischen Wert 48 und den nichtlinearen Termen in beliebiger Weise in der zweiten Berechnungseinrichtung 44 nach dem Ansaugtraktdruck 39 aufgelöst werden. Dies kann durch Interpolation oder andere an sich bekannte mathematische Verfahren geschehen. In der vorliegenden Ausführung sind in der zweiten Berechnungseinrichtung 44 jedoch in 3 gezeigte Kennlinien 50 hinterlegt, mit denen bei einem bekannten spezifischen Wert 48 der Ansaugtraktdruck 39 nach der Drosselklappe 20 berechnen lässt.
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Der nun bekannte Ansaugtraktdruck 39 nach der Drosselklappe 20 kann abschließend in der dritten Berechnungseinrichtung 46 verwendet werden, um in der oben genannten Weise die Sollfüllung 38 über die allgemeine Gasgleichung zu bestimmen.
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Basierend auf der Sollfüllung 38 kann nun die oben erwähnte Momentenkoordination 25 das Solldrehmoment 21 bestimmen und beispielsweise in dem oben erwähnten Fahrzeug koordinieren, welche Drehmomentenquelle welchen Anteil zum Solldrehmoment 21 beitragen soll. In der vorliegenden Ausführungsform soll das gesamte Solldrehmoment 21 durch die obige Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern 8 des Verbrennungsmotors 2 dargestellt werden.
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Dazu wird über einen Vergleich 52 des Solldrehmoments 21 und des von den Zylindern 8 erzeugten Drehmoments 14 als Istdrehmoment eine Regeldifferenz 54 bestimmt, die in einem Regler 56 als Grundlage zur Bestimmung eines Zündwinkels 58 verwendet wird. Mit diesem Zündwinkel 58 werden die Zylinder 8 des Verbrennungsmotors 2 angesteuert, um mit ihnen das Drehmoment 14 zu erzeugen. In einem Gleichgewichtszustand des Regelkreises der Steuervorrichtung 26 folgt das von den Zylindern 8 erzeugte Drehmoment 14 dem Solldrehmoment 21.
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In 3 sind Kennlinien 50 gezeigt, die in der zweiten Berechnungseinrichtung 44 verwendet werden können, um die nichtlineare Gleichung zu lösen und basierend auf dem bereits erläuterten spezifischen Wert 48 den Ansaugtraktdruck 39 hinter der Drosselklappe 20 zu bestimmen. In diesen Kennlinien 50 wird zusätzlich noch ein Restgasdruck 60 in den Zylindern 8 berücksichtigt, der nicht durch den Massenstrom der Frischluft 8 beeinflusst wird.
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Mit diesen Kennlinien 50 kann die nichtlineare Gleichung in der obigen zweiten Berechnungseinrichtung 44 gelöst werden, ohne dass eine größere Rechenleistung beispielsweise zur Interpolation notwendig wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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