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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2011 101 537 A1 ist ein Verfahren zum Rückführen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, bei welchem Abgas über eine Niederdruckleitung in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt wird, bekannt. Dabei wird im Bereich der Niederdruckleitung eine Druckdifferenz ermittelt und die Druckdifferenz zum Überwachen der Niederdruck-Abgasrückführung herangezogen. Bei einem Auftreten einer Fehlfunktion der Niederdruck-Abgasrückführung wird ein die Fehlfunktion angebender Datenwert in einem Speicher abgespeichert.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei Verbrennungskraftmaschinen setzen sich zunehmend Systeme mit Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) durch. Die ND-AGR dient dabei, zusätzlich zur Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR), zur Reduzierung von Stickoxid- und CO2-Emissionen. Da der ND-AGR-Massenstrom einen wesentlichen Einfluss auf die Emissionen hat, verlangen die stetig schärferen Abgasgesetzgebungen, dass Fehlfunktionen der Abgasrückführsysteme erkannt und vermieden werden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine und ein Computerprogramm auf einem Speichermedium zur Ausführung des Verfahrens, welches im Falle einer Fehlfunktion eine Fehlerreaktion auslöst.
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Überwachung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine, wobei in einem ersten Betriebszustand, in dem eine erste Abgasrückführleitung der Abgasrückführung geöffnet und eine zweiter Abgasrückführleitung der Abgasrückführung geschlossen ist, ein erster Wert ermittelt wird, der ein Luft-Kraftstoffverhältnis repräsentiert, und in einem zweiten Betriebszustand, in dem die erste Abgasrückführleitung der Abgasrückführung geschlossen und die zweite Abgasrückführleitung der Abgasrückführung geöffnet ist, ein zweiter Wert ermittelt wird, der ein Luft-Kraftstoffverhältnis repräsentiert, und in Abhängigkeit eines Vergleichs des ersten und des zweiten Werts eine Fehlerreaktion ausgelöst wird. Der erste und der zweite Wert können z. B. mittels eines Sensors oder mittels eines Modellwerts ermittelt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste und der zweite Wert während stationären oder quasistationären Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
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Während einer stationären oder quasistationären Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine wird die Kraftstoffeinspritzmenge konstant gehalten und/oder die Regelung der Brennkraftmaschine mittels einer Luftmassenstromregelung auf einen gleichbleibenden Luftmassenstrom eingestellt. Das heißt, dass die Parameter für die Kraftstoffeinspritzung und/oder für den Frischluftmassenstrom der Brennkraftmaschine möglichst gleich bleiben, d. h. keine Schwankungen erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge näherungsweise konstant bleibt und über die Luftmassenstromregelung ein gleichbleibender Luftmassenstrom für die Brennkraftmaschine eingestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Absolutwerte der die Luft-Kraftstoffverhältnisse bestimmenden Einflussgrößen, wie z. B. die Kraftstoffeinspritzmenge und/oder das Luftmassen-Sensorsignal und deren Toleranzen, die Funktionalität der Überwachung nicht beeinflussen, da nur die relativen Werte der Luft-Kraftstoffverhältnisse miteinander verglichen werden. D. h. die Absolutwerte für die Luft-Kraftstoffverhältnisse können von Fahrzeug zur Fahrzeug bzw. von Sensor zur Sensor größeren Streuungen unterliegen, der Vergleich der relativen Werte der Luft-Kraftstoffverhältnisse untereinander lässt aber eine robuste Überwachung der Niederdruck-Abgasrückführung zu. Somit lassen sich verpflichtende Emissions-Gesetzgebungen einhalten und unzulässige Emissionen von Abgasen detektieren und abstellen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Abgasrückführleitung einer Niederdruck-Abgasrückführleitung und die zweite Abgasrückführleitung einer Hochdruck-Abgasrückführleitung entspricht. Dies hat den besonderen Vorteil, dass in einem Fehlerfall, wenn z. B. das 3-Wege-Ventil defekt ist, oder die Niederdruck-Abgasrückführleitung abgefallen ist, eine Leckage der Niederdruck-Abgasrückführung erkannt wird, so dass Überschreitungen von Emissionsgrenzwerten und Ausstoß von schädlichen Emissionen verhindert werden kann.
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Der erste und der zweite Wert werden dabei vorzugsweise über einen vorgebbaren Zeitbereich, insbesondere kontinuierlich, empfangen und/oder ermittelt. Unter einem vorgebbaren Zeitbereich kann vorzugsweise ein Zeitintervall startend zu einem ersten Zeitpunkt und endend mit einem zweiten Zeitpunkt verstanden werden. Vorzugsweise können die im Zeitbereich empfangenen und/oder ermittelten Werte über den Zeitbereich gemittelt werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die gemittelten Werte mögliche Schwankungen ausgleichen. Der erste und der zweite Wert werden hierbei z. B. über ein Modell und/oder mit Hilfe eines Sensors z. B. eines Heißfilmluftmassensensors und/oder eines Kraftstoffeinspritzsensors und/oder eines Lambda-Sensors ermittelt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Abhängigkeit einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert eine Fehlerreaktion durch ein Steuergerät ausgelöst und zum Beispiel ein Warnsignal an eine Ausgabeeinheit, wie z. B. einen Lautsprecher, ein Display oder eine Warnleuchte übertragen.
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Dies hat den Vorteil, dass z. B. der Kraftfahrzeugführer gewarnt werden kann und somit in die Steuerung der Brennkraftmaschine eingreifen kann. Besonders vorteilhaft für eine Fehlerreaktion ist auch ein Eingriff in die Steuerung der Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel eine Aktivierung eines Notlaufs und/oder eine Drehzahl-/Drehmomentreduzierung der Brennkraftmaschine. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Niederdruck-Abgasrückführung und/oder die Hochdruck-Abgasrückführung deaktiviert werden, so dass Emissionsgesetzgebungen eingehalten werden und ein Ausstoß von schädlichen Emissionen verhindert werden kann.
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Die Fehlerreaktion wird dabei ausgelöst, wenn der erste Wert kleiner ist als der zweite Wert oder wenn eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Wert einen negativen Wert annimmt. Vorteilsweise kann auch der Betrag der Differenz des ersten und des zweiten Werts gebildet werden und in Abhängigkeit, ob ein vorgebbarer Schwellenwert durch den Betrag der Differenz überschritten wird, die Fehlerreaktion ausgelöst werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine prozentuale Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert gebildet werden. Überschreitet die Abweichung einen vorgebbaren Schwellenwert kann eine Fehlerreaktion ausgelöst werden. Dies hat den Vorteil, dass die Luft-Kraftstoffverhältnisse in den beschriebenen Betriebszuständen mit stationären oder quasistationären Betriebsbedingungen im Intaktfall im ersten Betriebszustand, bei dem die Rückführung von Abgasen nur über die Niederdruck-Abgasrückführung, und im zweiten Betriebszustand, bei dem die Rückführung von Abgas nur über die Hochdruck-Abgasrückführung durchgeführt wird, nahezu gleiche Werte für die Luft-Kraftstoffverhältnisse ergeben. D. h., falls eine Leckage der Niederdruck-Abgasrückführung vorliegt, werden die ermittelten Werte für die Luft-Kraftstoffverhältnisse im ersten und im zweiten Betriebszustand deutlich voneinander abweichen und somit kann ein Fehler der Niederdruck-Abgasrückführung erkannt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste und der zweite Wert ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis angeben. Dies hat den Vorteil, dass eine Fehlfunktion der Niederdruck-Abgasrückführung robust festgestellt werden kann.
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In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Zeichnung
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung und einer Luftzuführung,
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2 den beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zur Überwachung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 25 mit einer Frischluftanlage 48, über die der Brennkraftmaschine Verbrennungsluft zugeführt wird, und eine Abgasanlage 49, über die in Strömungsrichtung Abgase 51 aus der Brennkraftmaschine 25 abgeführt werden. Die Darstellung ist dabei auf für die folgende Darstellung relevante Teile beschränkt.
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In der Frischluftanlage 48 ist in Strömungsrichtung der Frischluft 50 gesehen folgendes angeordnet: Ein Drucksensor 1, welcher einen Druck p0 bestimmt, ein Temperatursensor 2, welcher eine Temperatur T0 bestimmt, ein Luftfilter 3, ein Luftmassensensor (HFM) 5, ein Temperatursensor 6, welcher eine Temperatur T10 bestimmt, ein Drucksensor 7, welcher einen Druck p10 bestimmt, eine Frischluftdrosselklappe 8, ein 3-Wege-Ventil 55, zur Regelung des ND-AGR Massenstroms, ein Drucksensor 9, welcher einen Druck p11 bestimmt, ein Temperatursensor 10, welcher eine Temperatur T11 bestimmt, ein Verdichter 13 eines Abgasturboladers 47, ein Ladeluftkühler 14 mit einem Volumen V21 15, ein Temperatursensor 16, welcher eine Temperatur T21 bestimmt, ein Drucksensor 17, welcher einen Druck p21 bestimmt, eine Drosselklappe 19, ein Drucksensor 20, welcher einen Druck p22 bestimmt, und ein Temperatursensor 21, welcher eine Temperatur T22 bestimmt. Die beschriebenen Werte können z. B. als Sensorwerte oder als Modellwerte vorliegen. In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Drucksensor 1 den Umgebungsdruck und der Temperatursensor 2 die Außentemperatur. Entweder es ist eine Frischluftdrosselklappe 8 und ein ND-AGR-Ventil 40 und/oder eine Abgasklappe 36 oder ein 3-Wege-Ventil 55 zur Androsselung des ND-AGR-Massenstroms verbaut. Das 3-Wege-Ventil 55 kann den ND-AGR-Massenstrom und die Androsselung auf der Abgas- und Frischluftseite durchführen.
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An entsprechenden Messpunkten werden die Luftmassenwerte mf10 4, mf11 11, mf21 18, mf23 22, mf20, 28 mittels eines Sensors oder mittels eines Modellwerts ermittelt.
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In der Abgasanlage 49 ist ausgehend von der Brennkraftmaschine 25 in Strömungsrichtung des Abgases 51 folgendes angeordnet: ein Drucksensor 26, welcher einen Druck p30 bestimmt, ein Temperatursensor 27, welcher eine Temperatur T30 bestimmt, eine Abgasturbine 30, eine Lambda-Sonde 56, welche das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Abgasanlage 49 ermittelt, ein Oxidationskatalysator (DOC) 31, ein Stickoxid-Speicherkatalysator 32, ein Dieselpartikelfilter (DPF) 33, ein Temperatursensor 34, der eine Temperatur T50 bestimmt, ein Drucksensor 35, welcher einen Druck p50 bestimmt, eine Abgasklappe 36 und ein Schalldämpfer 53. Weiterhin stehen die Werte der Motordrehzahl nEng 23 und die zugeführte Kraftstoffmasse mFuel 24 als Sensorwerte oder Modellwerte, bereitgestellt zum Beispiel von einem Steuergerät 100, zur Verfügung.
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Stromabwärts des DPF 33, d. h. auf einer Niederdruckseite der Abgasanlage 49, zweigt von der Abgasanlage 49 eine Niederdruck-Abgasrückführleitung (ND-AGR-Leitung) 41 ab, die stromaufwärts des Verdichters 13 und stromabwärts des Luftfilters 3 bzw. des Luftmassensensors 5 wieder in die Frischluftanlage 48 mündet. Entlang der ND-AGR-Leitung 41 ist ausgehend von der Abzweigung der Abgasanlage 49 in Strömungsrichtung eines Massenstromes folgendes angeordnet: ein ND-AGR-Kühler 37 mit ND-AGR-Bypass 38, ein Temperatursensor 39, der eine Temperatur TEGRLP ermittelt. Über einen Differenzdrucksensor 42 kann der Druckabfall über die ND-AGR Leitung 41 bestimmt werden. Die beschriebenen Werte können z. B. als Sensorwerte oder als Modellwerte vorliegen. Alternativ oder zusätzlich, kann anstelle des 3-Wege-Ventils 8 auch eine Frischluftdrossel in der Frischluftanlage 48 und ein Niederdruck-Abgas-Ventil in der ND-AGR-Leitung 41 verbaut sein.
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Stromaufwärts der Abgasturbine 30, d. h. auf einer Hochdruckseite der Abgasanlage 49, zweigt von der Abgasanlage 49 eine Hochdruck-Abgasrückführleitung (HD-AGR-Leitung) 46 ab, die stromaufwärts der Brennkraftmaschine 25 und die stromabwärts der Drosselklappe 19 in die Frischluftanlage 48 mündet. Stromabwärts der Brennkraftmaschine 25 befinden sich entlang der HD-AGR-Leitung 46 ein HD-AGR-Kühler 43 mit HD-AGR-Bypass 44 und ein HD-AGR-Ventil 45. Die Rückführung von Abgas dient der Verringerung der Emission der Brennkraftmaschine 25.
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In der 2 ist der beispielhafte Ablauf des Verfahrens dargestellt, das beispielsweise im Steuergerät 100 ablaufen kann. In einem Schritt 500 wird die Überwachung der Niederdruck-Abgasrückführleitung 41 gestartet. Hierzu wird ein erster stationärer oder quasistationärer Betriebszustand benötigt, wie z. B. ein Leerlauf der Brennkraftmaschine, in dem eine möglichst hohe ND-AGR-Rate und ein möglichst gleichbleibendes Luft-Kraftstoffverhältnis von der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird. Nach einer entsprechenden zeitlichen Entprellung bzw. nach einer Detektion, dass der erste stationäre oder quasistationäre Betriebszustand vorliegt bzw. eine vorgebbare Zeit angenommen wurde, wird das HD-AGR-Ventil 45 vollständig geschlossen, so dass keine Abgasrückführung über die HD-AGR-Leitung 46 erfolgt und das 3-Wege-Ventil 8 derart vollständig geöffnet wird, dass eine Abgasrückführung nur über die ND-AGR-Leitung 41 erfolgt.
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Anschließend wird in einem Schritt 510 ein erster Wert für das Luft-Kraftstoffverhältnis mittels des Lambda-Sensors 56, insbesondere kontinuierlich, ermittelt und z. B. in einem Steuergerät 100 abgespeichert. Alternativ oder zusätzlich kann das Luft-Kraftstoffverhältnis auch mittels eines Modells und/oder von Sensoren ermittelt werden, die die Kraftstoffeinspritzmenge und die Luftmasse ermitteln.
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In einem anschließenden Schritt 520 wird nun das 3-Wege-Ventil 8 derart vollständig geschlossen, dass über die ND-AGR-Leitung 41 kein Abgas mehr zurückgeführt wird, und das HD-AGR-Ventil 45 wird vollständig geöffnet, so dass nun eine Abgasrückführung allein über die HD-AGR-Leitung 46 erfolgt. Nun wird der zweite Wert für das Luft-Kraftstoffverhältnis mittels des Lambda-Sensors 56, insbesondere kontinuierlich, ermittelt und z. B. auch im Steuergerät 100 abgespeichert. Zusätzlich kann bevor der zweite Wert ermittelt wird noch eine Überprüfung durch das Steuergerät 100 stattfinden, dass weiterhin ein stationärer oder quasistationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorliegt. Für den Fall, dass weiterhin ein stationärer oder quasistationärer Betriebszustand vorliegt, wird der zweite Wert als valide angesehen, andernfalls wird der zweite Wert als nicht valide angesehen und die Messung verworfen bzw. die Überwachung abgebrochen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Überwachung der Niederdruck-Abgasrückführung dann von vorne gestartet werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes S1, z. B. durch die Temperatur T21, die Überwachung von vorne gestartet werden. Alternativ kann das Schließen bzw. Öffnen der ND-AGR-Leitung 41 über das ND-AGR-Ventil 40 erfolgen.
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In einem Schritt 530 wird dann in einer bevorzugten Ausführungsform der erste Wert des Luft-Kraftstoffverhältnisses mit dem zweiten Wert des Luft-Kraftstoffverhältnisses verglichen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform der Betrag der Differenz des ersten und des zweiten Werts gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine relative Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert des Luft-Kraftstoffverhältnisses bestimmt werden.
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Für den Fall, dass ein vorgebbarer Schwellenwert S nicht durch den Betrag der Differenz des ersten und des zweiten Werts überschritten wird, wird in einem Schritt 540 die Niederdruck-Abgasrückführung als intakt erkannt und das Verfahren kann erneut im Schritt 500 fortgesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird hierbei ein Signal z. B. von einem Steuergerät 100 empfangen und/oder gesendet und/oder im Speicher eines Steuergeräts 100 abgespeichert. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt dies als Diagnostic fault check (DFC).
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Im Fall, dass der vorgebbare Schwellenwert S durch den Betrag der Differenz des ersten und des zweiten Werts überschritten wird, wird in einem Schritt 550 eine defekte Niederdruck-Abgasrückführung erkannt und ein entsprechendes Fehlersignal durch das Steuergerät 100 ausgegeben. Das Fehlersignal kann, z. B. an ein Steuergerät 100 übertragen, und/oder im Speicher eines Steuergeräts 100 abgespeichert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt dies als Diagnostic fault check (DFC).
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In einer alternativen Ausführungsform, in der kein HD-AGR-Kühler 43 für die Hochdruck-Abgasrückführung vorhanden ist, muss bei der Freigabebedingung des zweiten stationären oder quasistationären Betriebszustands darauf geachtet werden, dass die Temperatur im Saugrohr nicht einen vorgebbaren Schwellenwert S überschreitet, da die erhöhte Saugrohrtemperatur bei gleicher Luftmasse aufgrund geringerer Füllung zu einer entsprechend geringeren Abgasrückführrate und damit zu leicht erhöhten Stickoxid-Werten während der Überwachung führt. D. h. wird der vorgebbare Schwellenwert S durch die Temperatur im Saugrohr überschritten, so wird der zweite Wert als nicht valide erkannt und die Überwachung der Niederdruck-Abgasrückführung muss verworfen oder von vorne gestartet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform werden im ersten und zweiten Betriebszustand zusätzlich zum ermittelten Luft-Kraftstoffverhältnis noch die Kraftstoffeinspritzmenge und der Luftmassenstrom im Saugrohr ermittelt. Diese werden anschließend über einen vorgebbaren zu messenden Zeitraum gemittelt und miteinander verglichen, bzw. es wird in Abhängigkeit dieser Größen ein Korrekturfaktor berechnet. Mit Hilfe des folgenden Modells lässt sich ein Korrekturfaktor für die Abweichung für die im ersten und im zweiten Betriebszustand ermittelten Werte bestimmen:
Für den Fall, dass der erste und der zweite Betriebszustand unter stationären oder quasistationären Betriebsbedingungen abläuft, ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen den Luft-Kraftstoffverhältnissen und dem Korrekturfaktor: λRec1Sens = λRec2Sens·fcorr= λRec2Corr wobei λRec1Sens das gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis im ersten Betriebszustand, λRec2Sens das gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis im zweiten Betriebszustand, fcorr der Korrekturfaktor und λRec2Corr das korrigiertes Luft-Kraftstoffverhältnis ist. Für den Fall, dass der erste und der zweite Betriebszustand gleich sind ergibt sich der Korrekturwert entsprechend zu fcorr – 1.
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Andernfalls ergibt sich:
wobei
q₁ ,
q₂ die gemittelten Kraftstoffeinspritzwerte im ersten bzw. zweiten Betriebszustand, mf
Air₁, mf
Air₂ die gemittelten Luftmassenwerte im ersten bzw. zweiten Betriebszustand und f
St ein stöchiometrischer Faktor im ersten und zweiten Betriebszustand sind. Somit lässt sich ein Korrekturwert f
corr bestimmen, so dass auch bei Abweichungen für die Messungen im ersten und dem zweiten Betriebszustand eine robuste Überwachung des ND-AGR durchgeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011101537 A1 [0002]