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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Verbrennung in einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit derart gesteuerter Verbrennung.
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In Verbrennungsmotoren, beispielsweise bei Ottomotoren, insbesondere bei hoch aufgeladenen Ottomotoren, kann es zu einer klopfenden Verbrennung kommen. Dies kann zu einer Leistungsreduktion und zu einem verringerten Wirkungsgrad bei der Verbrennung führen. Im Extremfall kann dies sogar zu Bauteilbeschädigungen führen. Die vorliegende Erfindung ist dabei natürlich nicht auf Ottomotoren beschränkt.
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Um dem Klopfen entgegenzuwirken oder vorzubeugen, ist es bekannt, den Zündwinkel des Zylinders nach spät zu verschieben. Dadurch verschlechtert sich jedoch der Wirkungsgrad der Verbrennung, und die Abgastemperatur steigt an. Um der höheren Wärmebelastung des Abgassystems entgegenzuwirken, muss im Bedarfsfall das in den Zylinder eingespritzte Luft-Kraftstoff-Gemisch angefettet, also mit höherem Kraftstoffanteil versehen, werden. Dadurch können die Abgassystemkomponenten gekühlt werden. Damit können sich jedoch auch der Kraftstoffverbrauch, die Leistung und die Emission verschlechtern.
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Wird die Abgastemperatur nicht reduziert, so kann sich auch die Ansauglufttemperatur erhöhen, wenn dieser Abgas zugeführt wird. Die Ansaugluft wird insbesondere bei hoch aufgeladenen Motoren durch den Verdichter der Aufladung weiter erhitzt. Eine höhere Ansauglufttemperatur erhöht wiederum die Klopfneigung. Bekannte Ladeluftkühlungen können diesem Effekt nur bedingt entgegenwirken.
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Um die Klopfneigung zu reduzieren, wird daher ein Fluid, beispielsweise Wasser, direkt in den Brennraum oder in den Kraftstoff gegeben. Das Fluid kann dazu bereits in die Ansaugluft gegeben werden. Das Fluid wird in dem Verdichter oder in dem Zylinder stark erhitzt und verdampft schließlich. Die Ansaugluft hat aufgrund der höheren Temperatur eine höhere Aufnahmefähigkeit von z. B. wasser. Das fein zerstäubte Wasser geht in die gasförmige Phase über. Dabei entzieht es der Ansaugluft Energie und kühlt diese ab. Dadurch wird die Klopfneigung reduziert, der Zündwinkel kann in Richtung früh verstellt werden und Kraftstoffverbrauch und Leistung des Motors können verbessert werden.
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Die
DE 10 2009 046 120 A1 beschreibt ein Verfahren zum Befeuchten der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, worin die Feuchtigkeit der Ansaugluft bestimmt wird und eine Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit der Ansaugluft eingedüst wird. Dadurch soll die Stickoxidbildung verringert werden.
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Die Feuchtigkeitsaufnahme der Ansaugluft ist jedoch beschränkt. In den gängigen Verfahren kann es daher vorkommen, dass eine zu hohe Feuchtigkeitsmenge in die Ansaugluft eingedüst wird. Dies kann in einer erhöhten Kondensatbildung resultieren, was zum einen den Flüssigkeitsverbrauch erhöhen und zum anderen Beschädigungen durch Korrosion begünstigten kann. Durch die nicht betrachte Kondensationsrate ist es auch nicht möglich, die genaue Menge der in den Zylinder zugeführten Flüssigkeitsmenge zu bestimmen oder den Flüssigkeitseinsatz zu plausibilisieren.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine exakte Zumessung und Überwachung einer Fluidzugabe ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abkühlen von Ansaugluft für einen Verbrennungsmotor eine maximale Feuchtigkeits-Aufnahmekapazität eines angesaugten Luftvolumens basierend auf einer Feuchtigkeits- und Temperaturmessung der Ansaugluft bestimmt. Dies ermöglicht die Bestimmung eines maximalen Fluidvolumens, das der Ansaugluft noch hinzugefügt werden kann. Dann wird eine Fluidmenge, die dem angesaugten Luftvolumen hinzuzufügen ist, basierend auf wenigstens einem Verbrennungsparameter in dem Verbrennungsmotor bestimmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur so viel Fluid in die Brennkraftmaschine eingegeben wird, wie es für die avisierte Verbrennung notwendig ist. So kann der Fluidverbrauch reduziert und die Leistung und Verbrennungseigenschaften der Brennkraftmaschine verbessert werden. In einem weiteren Schritt wird, falls erforderlich, dem angesaugten Luftvolumen eine zusätzliche Fluidmenge hinzugegeben. Dies ist dann erforderlich, wenn der in der Ansaugluft bereits enthaltene Feuchtigkeitsgehalt geringer ist als der für die vorliegende Verbrennung geforderte Gehalt. Dabei kann eine maximale Fluidmenge, die noch aufnehmbar ist, zugefügt werden oder nur ein Teil dieser maximalen Menge.
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Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Ansaugluft nicht mit mehr Feuchtigkeit beladen ist, als diese tatsächlich aufnehmen kann. So kann zum einen Korrosion im Ansaugtrakt reduziert werden. Zum anderen kann auf diese Weise das der Brennkraftmaschine zugeführte Feuchtigkeitsvolumen genau bestimmt werden. Dies kann eine verbesserte Steuerung der Verbrennung ermöglichen.
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Ein Ist-Wert der Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft kann mittels eines Feuchtigkeitssensors erfasst werden. Auf diese Weise kann die Luftfeuchtigkeit der angesaugten Luft unmittelbar bestimmt und in einer Steuervorrichtung verarbeitet werden. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion, warm sich die Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft verändert.
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Eine Lufttemperatur der Ansaugluft kann mittels eines Temperatursensors erfasst werden. Auf diese Weise kann die Temperatur der einströmenden Luft genau bestimmt und in einer Steuervorrichtung verarbeitet werden. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion, wenn sich die Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft verändert. So kann beispielsweise auch eine Zuleitung von Abgasluft in die Verbrennungsluft berücksichtigt werden, wenn eine Feuchtigkeitsaufnahmekapazität der Ansaugluft bestimmt wird.
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Die Lufttemperatur der Ansaugluft kann in der Umgebung eines Lasterfassungssensors erfasst werden. „In der Umgebung eines Lasterfassungssensors” bezeichnet dabei ein Erfassungsgebiet des Sensors. Weiterhin kann „in der Umgebung” einen an den Erfassungsbereich angrenzenden Bereich oder einen dem Erfassungsbereich benachbarten Bereich bezeichnen. Zumindest erfolgt in derartigen Weiterbildungen der Erfindung die Erfassung der Lufttemperatur in einem Bereich, in dem auch der Lasterfassungssensor ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist ein Sensor, der die Temperatur der Ansaugluft erfasst, als Teil des Lasterfassungssensors ausgebildet. Gleichermaßen kann der Sensor zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit als Teil des Lasterfassungssensors ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Anzahl an Sensoren und der notwendigen Steuerkomponenten reduziert werden. Auch kann ein eventuell bereits vorhandener Temperatursensor oder Feuchtigkeitssensor für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. So kann die Komplexität der Vorrichtung reduziert werden, und Fehler bedingt durch Abweichungen verschiedener Messsensoren können vermieden werden.
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Die Steuervorrichtung kann aus den erfassten Werten und der erfindungsgemäß daraus bestimmten zufügbaren Fluidmenge eine mögliche Temperaturdifferenz bestimmen, die theoretisch realisierbar ist, wenn eine vorbestimmte Menge Fluid in der Ansaugluft verdampft wird. Dies erlaubt es, eine Verbrennungstemperatur und eine Abgastemperatur genauer einzustellen oder einzuregeln. So kann ermöglicht werden, die Leistung des Motors zu verbessern, den Verbrauch zu reduzieren und die Bildung von Stickoxiden zu kontrollieren.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Temperatur der Ansaugluft bestimmt werden, bevor und nachdem die erfindungsgemäß bestimmte Fluidmenge der Ansaugluft beigemischt wird. Zudem kann eine Temperaturdifferenz zwischen den erfassten Werten bestimmt werden. Dies kann in einer Steuervorrichtung vorgenommen werden, die entsprechend ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein Vergleich zwischen einer theoretischen Vorhersage der Abkühlung der Ansaugluft und der tatsächlichen Abkühlung der Ansaugluft gezogen werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Funktionalität der Steuervorrichtung bzw. der damit gesteuerten mechanischen und elektrischen Bauteile. So kann eine Funktion der Fluidzufuhr überwacht und plausibilisiert werden.
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Der Vergleich der theoretischen Temperaturdifferenz und der erfassten Temperaturdifferenz kann in der Steuervorrichtung erfolgen. Zumindest in einem Falle, in dem die Abweichung eine vorbestimmbare Größenordnung zwischen den verglichenen Werten überschreitet, kann in dem Steuergerät ein Fehlerprotokoll ausgeführt und/oder ein korrigierendes Steuersignal aus der Steuervorrichtung ausgegeben werden. Auf diese Weise ist im Falle einer Fehlfunktion oder im Falle von nicht-plausiblen Werten eine verbesserte Fehlerdiagnose und eine bessere Ursachenforschung möglich.
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Diese Fehlerdiagnose kann beispielsweise mittels einem so genannten On-Board-Diagnosegeräts (OBD-Gerät) durchgeführt werden und kann eine Fehlersuche oder Fehlereingrenzung im Falle einer Fehlfunktion erleichtern. Durch Ausgabe eines geeigneten Steuersignals, beispielsweise einer Reduzierung der Motorleistung, einer Erhöhung oder Verringerung der Fluidzufuhr, einer Verstellung des Zündwinkels oder anderes können Beschädigungen der Brennkraftmaschine und/oder der Zuleitungen im Falle einer Fehlfunktion reduziert werden.
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So könnte erfindungsgemäß unmittelbar erfasst werden, wenn nicht ausreichend Fluid zu der Ansaugluft hinzugefügt wird, beispielsweise aufgrund eines Lecks in der Fluidversorgung. Da dies zu höheren Temperaturen der Ansaugluft in dem Verdichter führen kann, was wiederum eine Klopfneigung erhöht, könnte ein Steuersignal den Zündwinkel in Richtung spät verstellen, um die Klopfneigung zu reduzieren. Im Falle einer zu hohen Beimischung von Fluid in die Ansaugluft oder in dem Kraftstoff, beispielsweise aufgrund eines Defekts eines Injektors, kann ebenso eine adäquate Verstellung des Zündwinkels erfolgen.
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Die Zugabe der Fluidmenge kann in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter eines Fahrzeuges und/oder in Abhängigkeit von einem Verbrennungsparameter in dem Verbrennungsmotor erfolgt. So kann die Ansauglufttemperatur auf einen Wert eingestellt werden, der dem angeforderten oder momentanen Betrieb des Motors entspricht. Auf diese Weise kann eine Verbrennung besser gesteuert und eine Leistung des Motors verbessert werden. Beispielsweise kann im Falle einer Beschleunigung eines Fahrzeugs, also einer hohen Last auf den Motor, eine größere Fluidmenge an die Ansaugluft abgegeben werden, um eine Verstellung des Zündwinkels nach früh zu ermöglichen, ohne dass eine Klopfgrenze erreicht oder eine vorbestimmte Klopfstärke überschritten wird.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird zudem mit einer Vorrichtung zum Steuern der Befeuchtung von Ansaugluft in einer Brennkraftmaschine gelöst, wobei die Vorrichtung einen Feuchtigkeitssensor, einen Temperatursensor sowie eine Steuervorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, eine Feuchtigkeits-Aufnahmekapazität der Ansaugluft zu bestimmen und abhängig von der Feuchtigkeits-Aufnahmekapazität der Ansaugluft die Abgabe einer vorbestimmbaren Fluidmenge an die Ansaugluft zu steuern. Diese Vorrichtung erlaubt eine verbesserte Steuerung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine. Zudem kann ein Fluidverbrauch, ein Kraftstoffverbrauch und/oder ein Verschleiß von Motor-, Abgas-, oder Ansang-Komponenten verringert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Brennkraftmaschine, insbesondere an einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einer entsprechenden Vorrichtung, durchgeführt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale finden sich in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren. In diesen zeigen:
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1 eine schematisches Ansicht eines Fluidinjektorsystems für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Ansicht eines Fluidinjektorsystems für einen Verbrennungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Fluidinjektorsystems 1. Das Fluidinjektorsystem 1 weist ein Fluidsystem 10 auf. Das Fluidsystem 10 umfasst ein Fluidpumpe 11, in der Fluid vorgehalten wird. Das Fluid ist in dem Fluidsystem 10 bereits mit einem Druck beaufschlagt, mit dem es in ein Kraftstoffsystem 50 oder über ein Luftansaugsystem 20 in einen Zylinder 30 injiziert wird.
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Das Fluid wird in dem Fluidsystem 10 durch eine Fluidleitung 12 zu einem Fluidinjektor 13 geleitet. Der Fluidinjektor 13 kann insbesondere als ein Drosselventil ausgebildet sein. Der Fluidinjektor 13 verbindet in der in 1 gezeigten Ausführungsform das Fluidsystem 10 mit einem Ansaugrohr 21 des Ansaugsystems 20 des Zylinders 30. Dabei ist in dieser Ausführungsform das Ansaugrohr 21 ein gemeinsames Ansaugrohr oder auch Plenum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Der Fluidinjektor 13 injiziert das Fluid somit in die Ansaugluft des Motors. Der Fluidinjektor 13 wird in dieser Ausführungsform daher auch als Plenum-Einspritzventil bezeichnet.
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Zudem weist das Fluidsystem 10 einen weiteren Fluidinjektor 14, hier als Dosierventil ausgebildet, auf. Das Dosierventil 14 verbindet das Fluidsystem mit dem Kraftstoffsystem 50. Dadurch kann Fluid von dem Fluidsystem auch direkt in den Kraftstoff der Brennkraftmaschine injiziert werden.
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Das Fluidinjektorsystem 1 weist zudem eine Steuervorrichtung 60 auf. Die Steuervorrichtung 60, die insbesondere die digitale Motorelektronik beinhaltet oder darstellt, ist über Steuerleitungen 61 mit dem Fluidinjektor 13 bzw. mit dem Dosierventil 14 verbunden. Des Weiteren ist die Steuervorrichtung 60 mit einer Hochdruckpumpe 51 des Kraftstoffsystems 50 verbunden. Auf diese Weise kann eine Kraftstoffzufuhr über eine Kraftstoffleitung 53 und eine Beimischung von Fluid durch das Dosierventil 14 gesteuert werden und ein Fluid-Kraftstoffgemisch kann über eine Zuleitung 52 zu Kraftstoffinjektoren 41 geliefert werden. Die Kraftstoffinjektoren sind in der gezeigten Ausführungsform mit einer Railvorrichtung 40 verbunden, wie sie dem Fachmann bekannt ist.
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Der Kraftstoffinjektor 41 injiziert das Fluid-Kraftstoffgemisch in den Zylinder 30. Der Zylinder 30 ist vorliegend ein Zylinder für einen Vier-Taktbetrieb. In einem ersten Takt wird ein Hubkolben 34 über ein Pleuel 35 durch eine nicht-dargestellte Kurbelwelle derart verstellt, dass sich das freie Volumen des Zylinders 30, also dessen Verbrennungsraum 31, vergrößert. Dadurch entsteht ein Unterdruck. Ein Einlassventil 32 verbindet den Verbrennungsraum 31 mit dem Ansaugsystem 20. Die mit Fluid angereicherte Luft tritt in den Verbrennungsraum ein, wenn das Einlassventil 32 geöffnet wird. In einem zweiten Takt des Motors wird der Kolben derart verstellt, dass der Verbrennungsraum verkleinert wird, und Kraftstoff wird von dem Kraftstoffinjektor 41 in den Verbrennungsraum injiziert. Durch die Verkleinerung des Verbrennungsraums wird der Kraftstoff ebenso wie die zugeführte Luft und das zugeführte Fluid stark komprimiert. In einem dritten Motortakt erfolgt die Zündung des komprimierten Kraftstoffgemisches abhängig von dem Zündwinkel des Zylinders. Der Kolben wird nach unten verschoben, überwindet einen unteren Totpunkt, und in einem vierten Takt öffnet sich ein Auslassventil 33. Durch einen weiteren Kolbenhub wird das verbrannte Gemisch durch eine Abgasleitung 36 ausgestoßen.
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In dem Ansaugsystem ist des Weiteren ein Sensor 24 ausgebildet. Der Sensor kann ein Temperatursensor, ein Feuchtigkeitssensor oder beides sein. In alternativen Ausführungsformen können auch mehrere Sensoren ausgebildet sein. Zudem kann der bzw. können die Sensoren 24 für Temperatur und Feuchtigkeit auch als Teil einer Lasterfassungseinheit (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine ausgebildet sein.
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Zudem kann an einem oder mehreren der Zylinder 30 ein Klopfsensor ausgebildet sein. Der Klopfsensor erfasst, ob eine klopfende Verbrennung in dem Zylinder 30 vorliegt oder nicht. Der Klopfsensor ist mit der Steuervorrichtung 60 verbunden und übermittelt die erfassten Daten, also ob eine klopfende Verbrennung vorliegt und gegebenenfalls deren Ausmaß, an die Steuervorrichtung.
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Weiterhin kann in dem Ansaugsystem 20 ein hier nicht dargestellter Luftmassensensor ausgebildet sein, der ein Luft-Volumen erfasst, des durch das Ansaugsystem zu dem Plenum bzw. zu dem Zylinder 30 transportiert wird.
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Die Steuervorrichtung 60 ist dabei dazu ausgebildet, aus einem erfassten Feuchtigkeitswert der angesaugten Luft und aus der Temperatur der angesaugten Luft eine Aufnahmekapazität der Ansaugluft für Feuchtigkeit zu bestimmen. Die maximale Aufnahmekapazität entspricht dabei einer Luftfeuchtigkeit von 100% bei der jeweiligen Temperatur.
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Um eine genaue Bestimmung der Feuchtigkeitsmenge in der Ansaugluft vor und nach einem Einspritzen vornehmen zu können, wird dazu zunächst aus den erfassten Werten ein absoluter Feuchtigkeitsgehalt der Luft bestimmt. In Abhängigkeit von einer Dichtekorrektur, die unter anderem von der Temperatur der Ansaugluft abhängig ist, wird eine Masse der Feuchtigkeit pro Kilogramm Ansaugluft bestimmt. Eine Temperatur in dem Luftsammler und der maximal erreichbaren relativen Feuchte in dem Sammler wird dann die maximal aufnehmbare Feuchtigkeitsmasse pro Kilogramm Ansaugluft bestimmt.
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Die Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert und dem Maximalwert ergibt die Aufnahmekapazität, die theoretisch noch von der Ansaugluft aufgenommen werden kann.
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Durch Multiplikation dieses Wertes mit dem ggf. von dem Luftmassensensor erfassten Luftmassenstrom ergibt sich daraus der maximale Fluidmassenstrom, der hinzugefügt werden kann, wobei das Fluid vorzugsweise durch Wasser gebildet wird. Zudem ergibt sich hieraus auch der Absolutwert des Feuchtigkeitsmassenstroms zu den Zylindern. So kann eine genaue Bestimmung des zugeführten Fluidanteils durchgeführt werden. Weiterhin kann verhindert werden, dass durch die Ansaugluft Fluid in flüssiger Form dem Zylinder zugeführt wird, das nicht in einem Verdichter in der Ansaugluft verdampft. Dies kann eine bessere Verbrennungssteuerung erlauben.
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Wie in 2 dargestellt ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Plausibilisierung und eine Überwachung der eingesetzten Wassermasse erfolgen. Dazu wird in einem Schritt 101 wie oben beschrieben die Fluidmasse pro Ansaugluftmasse, die eingespritzt wird, bestimmt. In einem folgenden Schritt 102 wird eine Verdampfungsenthalpie berücksichtigt. Die Verdampfungsenthalpie bestimmt sich dabei auf bekannte Weise aus der vorhandenen Fluidmasse in der Ansaugluft, die verdampft wird. Unter Berücksichtigung einer Wärmekapazität der Luft in einem Schritt 103 wird die erwartete Temperaturdifferenz in einem Schritt 104 berechnet und ausgegeben oder in einem Speicher hinterlegt.
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Gleichzeitig oder zeitlich versetzt zu oben beschriebenen Schritten 101–104 wird in einem Schritt 111 die Ansauglufttemperatur vor einer Drosselklappe 23, also vor einem Einlass in den Luftsammler (Ansaugrohr 21), bestimmt. Zudem wird in einem Schritt 112 die Temperatur der Ansaugluft in dem Luftsammler erfasst. Die Luft, die sich in dem Luftsammler befindet wird dabei, vorzugsweise kontinuierlich, mit Feuchtigkeit angereichert. In einem folgenden Schritt 113 wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem Zustand vor und nach der Einspritzung verglichen.
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In einem nachfolgenden Schritt 121 wird die erwartete Temperaturdifferenz aus Schritt 113 mit der tatsächlichen Temperaturdifferenz aus Schritt 104 verglichen. Bei Abweichungen, die einen vorbestimmbaren Grenzwert überschreiten, kann so eine Korrektur oder eine Diagnose erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046120 A1 [0006]
