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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Patentansprüche.
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Aus
der
WO97/35106 A2 ist
ein Verfahren zum modellgestützten
Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine einströmenden Frischluftmasse
bei externer Abgasführung
bekannt. Dabei wird die in den Zylinder einströmende Luftmasse aus dem Zusammenhang
zwischen Frischgaspartialdruck und Frischluftmassenstrom in den
Zylinder durch Integration erhalten.
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Aus
der
DE 44 22 184 A1 ist
ein Steuergerät für Kraftfahrzeuge
mit einer Recheneinheit zur Berechnung der in einen Zylinder der
Brennkraftmaschine strömenden
Luftmasse bekannt. Dabei wird der Luftmassenstrom in den Zylinder
der Brennkraftmaschine abhängig
von der Temperatur und dem Druck im Saugrohr berechnet.
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Die
Anforderungen an eine moderne Brennkraftmaschine im Hinblick auf
eine Reduktion des verbrauchten Kraftstoffes und der ausgestoßenen Schadstoffe
werden immer höher.
Die elektronische Steuerung der Brennkraftmaschine, insbesondere die
Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse, des einzustellenden
Zündwinkels
und/oder der zuzumessende Luftfüllung,
muss zur Erfüllung
dieser Anforderungen immer genauer arbeiten. Dabei muss insbesondere
die die Last der Brennkraftmaschine repräsentierende Größe genau
bestimmt werden, da diese zur Berechnung der Steuergrößen herangezogen
wird. Die geeignetste Größe, die
die Last repräsentiert,
ist die Luftfüllung,
insbesondere die relative Luftfüllung
der Zylinder pro Hub. Diese Größe ist eine frischluftproportionale
Größe, bei
deren Verwendung zur Bestimmung der Steuergrößen eine sehr große Genauigkeit
der Brennkraftmaschinensteuerung erreicht werden kann. Die Luftfüllung wird
in möglichst genauer
Weise aus den vorhandenen Größen berechnet.
Für ein luftmassengesteuertes
Steuerungssystem wird dies beispielsweise in der nachveröffentlichten
DE 197 40 915 A1 beschrieben.
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Es
hat sich in einigen Anwendungsfällen
herausgestellt, daß die
Umgebungstemperatur erheblichen Einfluß auf die Berechnung der Luftfüllung hat. Insbesondere
wurde festgestellt, daß mit
steigender Ansaugluft- oder Umgebungstemperatur die berechnete Füllung kleiner
als die an einem Versuchsträger gemessene
Füllung
wird. Das Gemisch wird daher mit steigender Ansauglufttemperatur
(zumindest in der Vorsteuerung) abgemagert.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben,
die die Genauigkeit bei der Berechnung der Luftfüllung verbessern.
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Dies
wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Genauigkeit der Berechnung der Luftfüllung aus dem gemessenen Signal
(z.B. Luftmasse, Saugrohrdruck) wird erheblich verbessert. Besonders
vorteilhaft ist, daß das
Ergebnis der Berechnung, die Luftfüllung, im wesentlichen unabhängig von
der Umgebungstemperatur bzw. der Ansauglufttemperatur des Motors
ist.
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Somit
wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, daß physikalisch richtige Werte
unabhängig von
der Ansauglufttemperatur berechnet werden.
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Besonders
vorteilhaft ist ferner, daß durch die
Kompensation des Einflusses der Ansauglufttemperatur auf das zur
Berechnung der Luftfüllung
eingesetzte Modell (Saugrohrmodell) die Applizierbarkeit des Modells
erheblich verbessert wird, weil die Applikation des Modells für jeden
Motortyp prinzipiell für alle
Ansauglufttemperaturen gültig
ist.
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Besonders
vorteilhaft ist ferner, daß eine
verbesserte Berechnung des die Brennraumtemperatur repräsentierenden
Faktors bereitgestellt wird.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß bei
dem verwendeten Saugrohrmodell der Einfluß der Ansauglufttemperatur
auf den den Zusammenhang zwischen dem Frischgaspartialdruck und
der Luftfüllung beschreibenden
Steigungsfaktor kompensiert wird. Dadurch wird die Genauigkeit dieses
Saugrohrmodells erheblich verbessert. Da der berechnete Frischgaspartialdruck
im wesentlichen von der Ansauglufttemperatur unabhängig ist,
ist durch die Kompensation des Ansauglufttemperatureinflusses auf
den Steigungsfaktor das gesamte Saugrohrmodell ansauglufttemperaturunabhängig.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert. 1 zeigt
ein Steuersystem für
eine Brennkraftmaschine, während
in 2 ein Ablaufdiagramm dargestellt ist, an welchem
die Berechnung der relativen Luftfüllung aus einem Saugrohrdruckwert
dargestellt ist. In 3 schließlich ist die Kompensation
der Ansauglufttemperaturabhängigkeit
des die Brennraumtemperatur repräsentierenden
Faktors als Ablaufdiagramm beschrieben.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
ein Steuersystem für
eine Brennkraftmaschine, welches wenigstens eine Steuereinheit 10 umfaßt, die
wenigstens eine Eingangsschaltung 12, wenigstens einen
Mikrocomputer 14 und wenigstens eine Ausgangsschaltung 16 aufweist.
Diese Elemente sind über
ein Kommunikationssystem 18 zum gegenseitigen Datenaustausch
miteinander verbunden. Der Eingangsschaltung 12 werden
verschiedene Eingangsleitungen zugeführt, über die von entsprechenden
Meßeinrichtungen
ermittelte Meßsignale übermittelt
werden. Über
eine erste Eingangsleitung 20 wird von einem Druckfühler 22 ein
den Saugrohrdruck Ps repräsentierendes
Signal zugeführt. Über eine
Eingangsleitung 24 wird von einem Stellungsgeber 26 ein
die Drosselklappenstellung wdkba repräsentierendes Signal zugeführt. Ferner
wird über eine
Eingangsleitung 28 von einer entsprechenden Meßeinrichtung 30 ein
die Motordrehzahl nmot repräsentierendes
Signal zugeführt. Über eine
Eingangsleitung 32 wird von einem Nockenwellenstellungsgeber 34 ein
Signal übermittelt,
aus welchem die Stellung der Nockenwelle °NW ableitbar ist. Ferner sind Eingangsleitungen 36 und 38 vorgesehen, über die von
entsprechenden Temperaturfühlern 40 und 42 Signale
zugeführt
werden, die die Motortemperatur tmot und die Ansaugluft- bzw. Umgebungstemperatur
tans repräsentieren.
Ein weiterer Druckfühler 44 führt über eine
Eingangsleitung 46 der Steuereinheit 10 ein den
Umgebungsdruck Pu repräsentierendes Signal
zu. Über
die Ausgangsschaltung 16 steuert die Steuereinheit 10 die
Steuergrößen der
Brennkraftmaschine und beeinflußt
auf diese Weise z.B. die Kraftstoffzumessung (48), den
Zündwinkel
(50) und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel auch die Stellung
der Drosselklappe 52.
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Durch
die im Mikrocomputer 14 implementierten Programme steuert
die Steuereinheit 10 in Abhängigkeit der Eingangsgrößen we nigstens
die einzuspritzende Kraftstoffmenge, den einzustellenden Zündwinkel
und gegebenenfalls die zuzuführende Luftfüllung. Dies
erfolgt auf der Basis der relativen Luftfüllung (Frischgas), welche die
auf bestimmte Maximal- und Minimalwerte normierte (Frischgas-)Zylinderfüllung pro
Hub darstellt.
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Zur
Bestimmung dieser Größe wird
aus dem gemessenen Saugrohrdruck Ps mittels eines Saugrohrmodells
der Frischgaspartialdruck berechnet, aus dem durch einen Umrechnungsfaktor
(Steigung) die relative Luftfüllung
gebildet wird.
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Es
hat sich gezeigt, daß der
Zusammenhang zwischen Füllung
und Saugrohrdruck im wesentlichen linear ist. Dies deshalb, weil
beim Ladungswechsel näherungsweise
Druckausgleich zwischen Saugrohr und Zylinder herrscht. Dieser lineare
Zusammenhang wird durch den Restgasanteil im Zylinder gestört, da nach
Ende des Auslaßvorgangs
noch Abgas im Zylinder verbleibt, ein Teil dieses Restgases zeitweise
in das Saugrohr zurückströmt, wenn das
Einlaßventil
geöffnet
ist, und danach wieder angesaugt wird.
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Bei
der Berechnung des Frischgaspartialdrucks ist daher der interne
Restgasanteil pirg zu berücksichtigen,
der durch die geöffneten
Ventile in das Saugrohr zurückfließt. Der
gemessene Saugrohrdruck enthält
auch diesen internen Restgasanteil. Er wird daher bei der Berechnung
des Frischgaspartialdrucks vom gemessenen Saugrohrdruck subtrahiert. Dieser
Restgasanteil pirg bildet einen additiven Korrekturwert für den linearen
Zusammenhang, d.h. einen Offset. Der Restgasanteil pirg wird bestimmt
auf der Basis des Nockenwellenüberschneidungswinkels,
der den Winkel der Nockenwelle charakterisiert, während dessen
sowohl Einlaß-
als auch Auslaßventil
geöffnet
sind. Dieser Winkel ist somit ein Maß für die mittlere Querschnittsfläche, die
für ein Überströmen des
Abgases vom Auspufftrakt in das Saugrohr zur Verfügung steht.
Da die überströmende Abgasmasse
auch von der Zeitspanne abhängt,
während der
Einlaß-
und Auslaßventil
geöffnet
sind, muß zur Bestimmung
der internen Abgasrückführrate auch die
Drehzahl als Eingangsgröße herangezogen
werden. Der Nockenwellenüberschneidungswinkel
ergibt sich aus dem Nockenwellenstellungssignal °NW.
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Eine
Abhängigkeit
vom Nockenwellenüberschneidungswinkel
und der Drehzahl zeigt auch die Steigung des Modells für den Zusammenhang
zwischen Druck und Füllung.
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Zur
Berechnung der Füllung
aus dem Saugrohrdruck wird ein linearer Zusammenhang mit einem vom
Nockenwellenüberschneidungswinkel
und der Motordrehzahl abhängigen,
aus einem Kennfeld ausgelesenen Offset und einer von den gleichen
Größen abhängigen,
ebenfalls aus einem Kennfeld ausgelesenen Steigung vorgegeben.
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Da
der Restgasanteil und die Steigung ferner von der Umschaltung des
Saugrohrs abhängig
sind, sind für
jede Saugrohrstellung bestimmte Kennfelder vorgesehen und es wird
je nach Saugrohrstellung auf das zugehörige Kennfeld umgeschaltet.
Um bei der Umschaltung der Klappenstellung keine sprunghaften Änderungen
zu erhalten, werden die Faktoren (Restgasanteil pirg und Steigung)
bei der Umschaltung gefiltert.
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Desweiteren
ist der Restgasanteil vom Umgebungsdruck abhängig. Mit abnehmendem Umgebungsdruck
sinkten der Abgasdruck und damit der Restgasanteil im Zylinder.
Aus diesem Grund wird der Restgasanteil mit einem Höhenfaktor
korrigiert.
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Die
Steigung ist ferner von der Brennraumtemperatur abhängig. Entsprechend
findet eine Korrektur der Steigung mit der Brennraumtemperatur statt.
Letztere wird dabei anhand von Motortemperatur und Ansauglufttemperatur
(Umgebungstemperatur) nach Maßgabe
eines Modells abgeschätzt.
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Die
auf diese Weise gebildete Luftfüllungsgröße (Frischluftanteil)
wird bei der Berechnung der Steuergrößen berücksichtigt, indem sie beispielsweise
direkt oder nach Umrechnung in einen Frischluftmassenstrom mittels
einer Konstanten bei der Bestimmung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse,
des einzustellenden Zündwinkels
und/oder der einzustellenden Drosselklappenstellung ausgewertet
wird.
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Die
Bestimmung der relativen Luftfüllung
rl aus dem Saugrohrdruck Ps erfolgt nach folgender Gleichung: rl = (Ps – (KFPIRG × fho)) × KFPSURL × ftbrmit
- rl
- relative Luftfüllung
- Ps
- gemessener Saugrohrdruck
- KFPIRG
- Kennfeldwert für Restgasanteil
abhängig
von Motordrehzahl und Nockenwellenstellung
- fho
- Korrekturfaktor abhängig vom
Umgebungsdruck
- KFPSURL
- Kennfeldwert für die Steigung
abhängig
von Motordrehzahl und Nockenwellenstellung
- ftbr
- Brennraumtemperaturfaktor
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In
wenigstens einem Anwendungsfall hat es sich gezeigt, daß das auf
diese Weise berechnete Luftfüllungssignal
abhängig
von der Ansauglufttemperatur schwankt. Ergebnis einer genaueren
Untersuchung war, daß der
Temperatureinfluß auf
den partiellen Restgasdruck pirg sehr gering ist, so daß sich die
Temperaturabhängigkeit
des Luftfüllungssignals aus
der Abhängigkeit
des Steigungsfaktors fpsurl von der Umgebungstemperatur ergibt.
Diese wird dort im Rahmen der Bestimmung der Brennraumtemperatur bzw.
des die Brennraumtemperatur repräsentierenden
Faktors ftbr berücksichtigt.
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Das
Modell zur Bestimmung der Temperatur im Brennraum zu dem Zeitpunkt,
zu dem das Einlaßventil
schließt,
baut auf folgende Vorgaben: Die Temperaturerhöhung der Luft auf dem Weg zum
Brennraum ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser
und Ansaugluft. Der Proportionalitätsfaktor ist in erster Näherung eine
Funktion der Luftfüllung.
Bei einer physikalisch richtigen Luftfüllungsberechnung muß der berechnete
Luftfüllungswert
unabhängig
von der Ansauglufttemperatur sein. Da, wie oben erwähnt, der
Restgaspartialdruck sich nicht mit der Ansauglufttemperatur verändert, muß der Steigungsfaktor
fpsurl unabhängig
von der Lufttemperatur konstant sein. Für den Faktor ftbr der Brennraumtemperatur
ergibt sich dann als Modellgleichung, die diese Forderungen erfüllt, der
folgende Zusammenhang: ftbr = [273K/(273K + tans
+ KFWTBR·(tmot – tans))]x mit
- tans
- Ansauglufttemperatur,
Umgebungslufttemperatur
- tmot
- Kühlwassertemperatur
- KFWTBR
- von Motordrehzahl
und Füllung
abhängiger
Proportionalitätsfaktor
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In
einem Anwendungsbeispiel hat sich als Exponent x ein Wert von 0,75
gefunden, der das obengenannte Kriterium der konstanten, von der
Ansauglufttemperatur unabhängigen
Steigung erfüllt.
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Eine
andere Möglichkeit
der Ansauglufttemperaturkompensation ergibt sich durch die Berücksichtigung
eines ansauglufttemperaturabhängigen Korrekturfaktors
bei der Bestimmung des Faktors ftbr, in etwa in der folgenden Weise: ftbr = [273K/(273K + evtmod)]·FWFTBRTA(tans))mit
- evtmod
- Brennraumtemperatur
= tans + KFWTBR·(tmot – tans)
- FWFTBRTA(tans)
- Korrekturfaktor, von
Ansauglufttemperatur abhängig
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Zusammenfassend
ist festzustellen, daß eine
Ansauglufttemperaturkompensation dazu führt, daß die berechnete Luftfüllung unabhängig von
der Lufttemperatur ist. Diese Erkenntnis läßt sich sowohl bei Systemen
anwenden, bei denen der Druck direkt gemessen wird als auch bei
Systemen, die wie im eingangs genannten Stand der Technik die zugeführte Luftmasse
messen und wenigstens unter Berücksichtigung
der Motordrehzahl daraus ein Drucksignal ableiten, welches mittels
des vorgestellten Saugrohrdruckmodells in eine Luftfüllung umgerechnet
wird.
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Die
beschriebene Vorgehensweise ist im Ablaufdiagramm nach 2 dargestellt,
welches ein entsprechendes Programm des Mikrocomputers 14 repräsentiert.
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Vom
gemessenen Saugrohrdruck Ps wird in einer Verknüpfungsstelle 100 der
Restgasanteil pirg subtrahiert. Der Restgasanteil pirg wird gebildet
im Kennfeld 102 in Abhängigkeit
der Motordrehzahl nmot und der Nockenwellenstellung °NW. Der ausgelesene
Wert KFPIRG wird einer Multiplikationsstelle 104 zugeführt, in
der der aus dem Umgebungsdruck Pu abgeleitete Korrekturfaktor fho
mit dem Kennfeldwert KFPIRG multipliziert wird. Der Korrekturfaktor
ist dabei vorzugsweise der auf einen Normdruck (1013 hPa) bezogene
Umgebungsdruck Pu, auf den die Werte des Kennfelds 102 abgestimmt
sind. Ausgang der Multiplikationsstelle 104 ist der Restgasanteil pirg, der
in der Verknüpfungsstelle 100 vom
gemessenen Saugrohrdruck subtrahiert wird (Offset der Umrechnungskennlinie).
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Das
Ergebnis dieser Subtraktion wird einer Multiplikationsstelle 106 zugeführt, durch
die die Steigung fpsurl des Modells berücksichtigt wird. In einem Kennfeld 108 wird
abhängig
von der Motordrehzahl nmot und der Nockenwellenstellung °NW ein Kennfeldwert
für die
Steigung KFPSURL ausgelesen. Dieser wird in einer Multiplikationsstelle 110 mit
einem Korrekturfaktor ftbr abhängig
von der Brennraumtemperatur multipliziert. Der auf diese Weise gebildete Steigungswert
fpsurl wird in der Multiplikationsstelle 106 mit der Differenz
von Saugrohrdruck und Restgasanteil multipliziert. Ausgangssignal
der Multiplikationsstelle 106 ist die relative Luftfüllung rl,
die zur weiteren Steuerung der Brennkraftmaschine ausgewertet wird
(symbolisiert in 114). Der Brennraumtemperaturfaktor ftbr
wird in einem Modell 112 wenigstens in Abhängigkeit
der Motortemperatur tmot und der Ansaugtemperatur tans bestimmt.
Die ermittelte Brennraumtemperatur wird dabei zur Bildung des Korrekturfaktors
auf eine Temperatur von 273K normiert, auf die die Werte des Kennfelds 108 abgestimmt
sind.
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In 3 ist
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zur Ansauglufttemperaturkompensation des Saugrohrmodells dargestellt.
Das Ablaufdiagramm zeigt die Realisierung des oben dargestellten
Zusammenhangs zwischen Ansauglufttemperatur und Brennraumtemperaturfaktor
ftbr in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Zunächst wird
in 200 die Differenz zwischen der gemessenen Kühlwassertemperatur
tmot und der gemessenen Ansauglufttemperatur tans gebildet. Diese
Differenz wird in der Multiplikationsstelle 202 mit dem
aus dem Kennfeld 204 ausgelesenen Proportionalitätsfaktor
KFWTBR multipliziert. Dieser Propor tionalitätsfaktor wird im Kennfeld 204 abhängig von
der Luftfüllung
rl und der Motordrehzahl nmot ausgelesen. Das Kennfeld 204 wird
dabei für
jeden Motortyp appliziert. Die mit dem Proportionalitätsfaktor
multiplizierte Differenz wird in 206 zum gemessenen Ansauglufttemperaturwert
tans addiert. Dieser Ausdruck wird in der folgenden Summationsstelle 208 mit
der Normtemperatur 273K addiert. In der Divisionsstelle 210 wird
der Normierungsfaktor 273K durch die in der Summationsstelle 208 gebildete
Gesamtsumme dividiert. Dieser Ausdruck wird in 212 mit
dem vorgegebenen Exponenten X potenziert und auf diese Weise der
Brennraumtemperaturfaktor ftbr gebildet.
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Ist
eine externe Abgasrückführung vorgesehen,
so ist deren Partialdruck als Offsetkorrekturwert bei der Bestimmung
des Frischluftpartialdrucks gemäß 2 ebenfalls
zu berücksichtigen.