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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs eines
Otto-Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Otto-Verbrennungsmotoren
von Kraftfahrzeugen können
in einer stöchiometrischen
Betriebsart oder in einer mageren Betriebsart gefahren werden. Die
jeweilige Betriebsart wird von einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors
durch entsprechende Ansteuerung der Einspritzanlage eingestellt, wenn
in die Motorsteuerung einprogrammierte Vorgaben erfüllt sind.
Die stöchiometrische
Betriebsart wird zum Beispiel eingestellt, wenn der Motor unter hoher
Last oder mit hoher Geschwindigkeit gefahren wird, oder zum Beispiel
auch während
einer im Motorsteuergerät
einprogrammierten vorgegebenen Warmlaufphase, in der eine magere
Betriebsart des Motors ausgeschlossen ist. Demgegenüber wird
die magere Betriebsart mit Luftüberschuss
im Abgas zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei niedrigen Drehzahlen
oder Lasten, zum Beispiel bei Geschwindigkeiten unter 80 km/h oder
im Leerlauf des Motors aus Gründen
der Kraftstoffersparnis eingestellt, da ein geschichtet oder homogen
im Magerbetrieb gefahrener Otto-Verbrennungsmotor
einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist als im
stöchiometrischen
Betrieb.
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Zur
Erfüllung
der gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte muss der Verbrennungsmotor in
beiden Betriebsarten in allen beim Abgastest vorkommenden Kennfeldbereichen
und darüber
hinaus eine wirksame Abgasnachbehandlung besitzen. Die meisten Otto-Verbrennungsmotoren
von Kraftfahrzeugen sind daher mit einem Dreiwege-Katalysator und einer
Lambdasonde ausgestattet, die in der Betriebsart stöchiometrisch
den Sauerstoffanteil im Abgas misst. In Abhängigkeit vom gemessenen Sauerstoffanteil
regelt das Motorsteuergerät
durch entsprechende Ansteuerung der Einspritzanlage die Zusammensetzung
des Kraftstoff-Luft-Gemischs in einer solchen Weise, dass die im
Abgas enthaltenen Schadstoffe, wie Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid
(CO), im nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator im Wesentlichen vollständig zu
Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) umgesetzt werden. Für einen Betrieb in der Betriebsart
mager sind Otto-Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen zudem zumeist
mit einem diskonti nuierlich arbeitenden NOx-Speicherkatalysator
und einem nachgeschalteten NOx-Sensor
ausgestattet, von denen der erstere auf einer Bariumoxid-Beschichtung
solange Stickoxide (NOx) speichert, bis sein NOx-Speichervermögen erschöpft ist.
Die Erschöpfung
des Speicherkatalysators führt
zu einem Anstieg der NOx-Konzentration im Abgas, was vom NOx-Sensor
erfasst und zur Auslösung
einer Regeneration des Speicherkatalysators ausgenutzt wird. Bei
der Regeneration wird über
das Motorsteuergerät
mehr Kraftstoff in den Verbrennungsmotor eingespritzt, um ein fettes
Kraftstoff-Luft-Gemisch und damit ein Abgas mit einem höheren Anteil
an Kohlenmonoxid (CO) zu erzeugen, mit dem die im Speicherkatalysator
gespeicherten Stickoxide (NOx) zu Stickstoff (N2)
reduziert werden, wobei das Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert. NOx-Speicherkatalysatoren mit Edelmetallbeschichtung
besitzen darüber
hinaus auch Dreiwege-Eigenschaften, da neben Stickoxiden (NOx) auch
Sauerstoff im Katalysator gespeichert wird, der in der stöchiometrischen
Betriebsart zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid
(CO) dient. Dieses Sauerstoff-Speichervermögen (OSC) des NOx-Speicherkatalysators
hat jedoch den Nachteil, dass bei jeder Regeneration desselben ein
Teil des im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxids (CO) vom gespeicherten
Sauerstoff (O2) oxidiert wird und daher
nicht mehr Reduktion der gespeicherten Stickoxide (NOx) zur Verfügung steht. Dies
jedoch hat zur Folge, dass bei der Regeneration eine längere Fettphase
erforderlich ist, was wiederum den Kraftstoffverbrauch erhöht. Da der
NOx-Speicherkatalysator zwecks Einhaltung der Abgasgrenzwerte gewöhnlich nach
jeder Magerphase regeneriert wird, führt der höhere Kraftstoffverbrauch während dieser
Regenerationen bei einem Betrieb mit kurzen Magerphasen insgesamt
zu einem höheren Kraftstoffverbrauch
als bei einem durchgehenden stöchiometrischen
Betrieb.
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In
der nachveröffentlichten
DE 102 53 614 A1 ist
bereits ein Verfahren zur besseren Ausnutzung des Kraftstoffeinsparpotentials
im Magerbetrieb beschrieben, bei dem nur dann die Betriebsart Magerbetrieb
eingestellt wird, wenn dies aufgrund des Fahrverhaltens des Fahrers
sinnvoll ist. Zu diesem Zweck wird dort auf Magerbetrieb umgeschaltet, wenn
eine Kraftstoff-Mehrverbrauchsmenge für Entladungen eines Speicherkatalysators
in einem zurückliegenden
Auswertezeitraum kleiner ist als die Kraftstoff-Minderverbrauchsmenge durch Magerbetrieb
im Auswertezeitraum. Zur Berechnung der Kraftstoff-Minderverbrauchsmenge
und der Kraftstoff-Mehrverbrauchsmenge sind betriebsabhängige Parameter
des Stickoxid-Speicherkatalysators und der Abgaszusam mensetzung
im Abgastrakt des Verbrennungsmotors erforderlich, deren Ermittlung Schwierigkeiten
bereiten oder einen nicht unerheblichen Aufwand verursachen kann.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Auswertung
an Stelle von betriebsabhängigen
Parametern des Speicherkatalysators und der Abgaszusammensetzung
im Abgastrakt des Verbrennungsmotors andere, leichter verfügbare Informationen
zugrunde gelegt werden können,
um einen Betrieb des Kraftfahrzeugs mit kurzen Magerphasen zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
dadurch gelöst,
dass vom Motorsteuergerät
verfügbare
Informationen über
augenblickliche und/oder zurückliegende
Fahrtbedingungen des Kraftfahrzeugs ausgewertet werden, um eine
Vorhersage über
voraussichtlich unmittelbar bevorstehende Fahrtbedingungen zu treffen,
und dass die Betriebsart mager eingestellt wird, wenn die aufgrund
der Vorhersage zu erwartende Dauer (T) einer unmittelbar anschließenden Phase
der Betriebsart mager eine vorbestimmte Mindestzeitdauer (Tmin)
mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit (WD) übersteigt.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das sich durch eine statistische
Auswertung von Informationen über
augenblickliche und zurückliegende
Fahrtbedingungen des Kraftfahrzeugs eine Vorhersage über die
Wahrscheinlichkeit der unmittelbar bevorstehenden Fahrtbedingungen
treffen lässt.
Diese Vorhersage kann dann ausgenutzt werden, um die Wahrscheinlichkeit
zu berechnen, mit der in einem unmittelbar anschließenden Zeitraum
ein Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs in der Betriebsart mager mit
Verbrauchsvorteil möglich
ist.
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Die
für die
Vorhersage verwendeten Informationen über die augenblicklichen und/oder
zurückliegenden
Fahrtbedingungen schließen
vorzugsweise eine oder mehrere der nachfolgend angegebenen Informationen
ein:
- – die
augenblickliche Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und dessen zurückliegendes
Geschwindigkeitsprofil, das sich aus den von einem Geschwindigkeitsmesser
gelieferten Werten berechnen lässt
und eine Vorhersage über
die in unmittelbarer Zukunft zu erwartende Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs
(bzw. eine Aussage über die
Wahrscheinlichkeit einer solchen Geschwindigkeit) zulässt,
- – den
augenblicklichen Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug, der
sich mit Hilfe eines Abstandsmessgeräts ermitteln lässt,
- – die
Relativgeschwindigkeit in Bezug zu diesem Fahrzeug, die sich aus
der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und der Veränderung
des Abstands zum vorausfahrenden Fahrzeug bestimmen lässt und
in Verbindung mit dem augenblicklichen Abstand eine Vorhersage darüber zulässt, ob
in Kürze
mit einem Stop des Kraftfahrzeugs zu rechnen ist, der einen längeren Magerbetrieb
ausschließt;
- – Informationen über die
Beschaffenheit der Fahrbahn oder über die augenblicklich herrschenden Witterungsbedingungen,
wie zum Beispiel Fahrbahnglätte,
Regen oder Außentemperatur,
die sich aus Daten eines ABS- oder ESP-Systems, eines Scheibenwischerautomaten
bzw. eines Temperaturfühlers
des Kraftfahrzeugs ableiten lassen und einen Einfluss auf das Fahrprofil
besitzen,
- – Daten
aus einem Navigationssystem des Kraftfahrzeugs, die anhand der Position
des Fahrzeugs und der eingegebenen Fahrtstrecke ebenfalls Aussagen über das
zukünftige
Fahrprofil des Kraftfahrzeugs gestatten,
- – die
Höhe des
Fahrzeugs über
dem Meeresspiegel, da der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs in
großen
Höhen weniger
Luft erhält
und dadurch die obere Geschwindigkeitsgrenze für einen Magerbetrieb absinkt,
- – den
Neigungswinkel des Fahrzeugs in Fahrtrichtung, da bei längeren Bergabfahrten
ein Magerbetrieb auch mit höheren
Geschwindigkeiten verbrauchsoptimal möglich ist.
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Die
Auswertung der Informationen und die Berechnung der Wahrscheinlichkeit
eines verbrauchsoptimalen Magerbetriebs werden zweckmäßig vom
Motorsteuergerät
vorgenommen, das eine zu diesem Zweck ausreichende Rechenleistung
besitzt. Alternativ dazu wäre
es jedoch auch möglich, die
Informationen in einem separaten Mikroprozessor auszuwerten und
das Ergebnis der Wahrscheinlichkeitsberechnungen an das Motorsteuergerät weiterzuleiten,
das daraufhin die jeweils verbrauchsoptimalere Betriebsart einstellt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass aus
den verfügbaren
Informationen das Fahrprofil eines unmittelbar zurückliegenden
Zeitraums erstellt wird und dass dieses Fahrprofil auf der Grundlage
gespeicherter Fahrprofile in die Zukunft extrapoliert wird, zum
Beispiel indem dasjenige oder diejenigen der gespeicherten Fahrprofile mit
der oder den größten Übereinstimmungen
mit dem augenblicklichen Fahrprofil zur Vorhersage eines voraussichtlich
zu erwartenden weiteren Verlaufs des augenblicklichen Fahrprofils
benutzt wird.
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Bei
der Auswertung der Informationen wird vorzugsweise in einem ersten
Schritt geprüft,
ob Ausschlusskriterien vorliegen, die den Magerbetrieb grundsätzlich verbieten.
Dies könnte
zum Beispiel bei Absolutgeschwindigkeiten von mehr als 100 km/h oder
einer Relativgeschwindigkeit zum vorausfahrenden Fahrzeug von mehr
als 20 km/h der Fall sein, in welchem Fall vom Motorsteuergerät die Betriebsart stöchiometrisch
eingestellt wird.
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Sollten
keine Ausschlusskriterien vorliegen, wird zweckmäßig in einem zweiten Schritt
aus dem voraussichtlichen weiteren Verlauf des Fahrprofils die Wahrscheinlichkeit
berechnet, mit der ein Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs in der Betriebsart
mager grundsätzlich
möglich
ist. Übersteigt
diese Wahrscheinlichkeit einen vorbestimmten Wert, so wird gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem dritten
Schritt die Wahrscheinlichkeit berechnet, mit der in einer unmittelbar
anschließenden
Phase der Betriebsart mager im Vergleich zu einer unmittelbar anschließenden Phase
der Betriebsart stöchiometrisch
eine Kraftstoffeinsparung möglich
ist. Wenn auch diese zuletzt genannten Wahrscheinlichkeit einen
vorbestimmten Wert übersteigt,
wird die Betriebsart mager eingestellt.
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Die
Auswertung der Informationen wird vorzugsweise in regelmäßigen Zeitintervallen
wiederholt, um die Informationen über die augenblicklichen und/oder
zurückliegenden
Fahrtbedingungen als Grundlage für
die Vorhersage zu aktualisieren.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung von Teilen eines Kraftfahrzeugs mit
einem Otto-Verbrennungsmotor;
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2:
ein vereinfachtes Fließbild
einer Optimierung des Betriebs des Verbrennungsmotors;
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3a, 3b und 3c: Schaubilder unterschiedlich langer
Magerbetriebsphasen des Verbrennungsmotors zur Erläuterung
der Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch.
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Das
in 1 der Zeichnung schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 2 umfasst
einen als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 4 mit
einem Motorsteuergerät 6,
einem Luftansaugrohr 8 und einer Einspritzanlage 10,
dessen Abgasleitung 12 zur Verringerung der Abgasemissionen
mit einem Dreiwege-Katalysator 14 und einem NOx-Speicherkatalysator 16 ausgestattet
ist. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst weiter einen in der Nähe der Kurbelwelle 18 des Verbrennungsmotors 4 angebrachten
Drehzahlsensor 20, einen als Luftmassenmesser oder Saugdruckmesser
ausgebildeten, im Luftansaugrohr 8 montierten Lastsensor 22,
eine vor dem Dreiwegekatalysator 14 in der Abgasleitung 12 angebrachte Lambdasonde 24,
einen hinter dem NOx-Speicherkatalysator 16 in der Abgasleitung 12 angeordneten NOx-Sensor 26,
ein Abstandsmessgerät 28 zur
Messung des Abstandes des Kraftfahrzeugs 2 zu einem vorausfahrenden
Kraftfahrzeug 30 mit einem Sender 32 und einem
Empfänger 34,
einen Sensor 36, der über
den Schlupf der Räder 38 des
Kraftfahrzeugs 2 Informationen über die augenblickliche Oberflächenbe schaffenheit
der Fahrbahn und die Fahrtgeschwindigkeit ermittelt, sowie einen
Taktgeber 40.
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Das
Motorsteuergerät 6 umfasst
einen Mikroprozessor 42 mit einem Speicher 44 und
einer Software, die in regelmäßig getakteten
kurzen Zeitabständen
die augenblickliche Drehzahl des Verbrennungsmotors am Drehzahlmesser 20,
die augenblickliche Last am Lastsensor 22, den augenblicklichen
Abstand zum unmittelbar vorausfahrenden Fahrzeug am Abstandsmessgerät 28 sowie
ggf. weitere Informationen vom Sensor 36 oder anderen Sensoren
(nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs abfragt, wie zum Beispiel
Informationen über
die Fahrbahnbeschaffenheit, augenblickliche Witterungsbedingungen
(Frost, Regen), Höhe über dem
Meeresspiegel oder Neigungswinkel des Fahrzeugs in Fahrtrichtung.
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Diese
abgefragten Informationen vom Drehzahlsensor 20, vom Lastsensor 22,
vom Empfänger 34 des
Abstandsmessgeräts 28 bzw.
vom Sensor 36 werden im Motorsteuergerät 6 ausgewertet, um
eine Vorhersage über
voraussichtlich unmittelbar bevorstehende Fahrtbedingungen zu treffen,
so dass diese Fahrtbedingungen und insbesondere die Eintrittswahrscheinlichkeit
einer Mindestdauer eines Magerbetriebs des Verbrennungsmotors 4 bei
der Ansteuerung der Einspritzanlage 10 berücksichtigt
werden können.
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Wenn
das Kraftfahrzeug 2 mit einem Navigationssystem (nicht
dargestellt) ausgestattet ist, können
auch Daten aus dem Navigationssystem ausgewertet werden, um die
Vorhersage über
die voraussichtlich unmittelbar bevorstehenden Fahrtbedingungen
zu verbessern, indem unter Zugrundelegung des augenblicklichen Standorts
des Kraftfahrzeugs 2 Streckenbedingungen, wie zum Beispiel
Steigungen, einer auf dem jeweils einprogrammierten Kurs unmittelbar
anschließend
vom Kraftfahrzeug 2 zu durchfahrenden Fahrtstrecke berücksichtigt
werden.
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Wie
am besten in 2 dargestellt, werden die abgefragten
Informationen I1, I2, I3, I4 usw. über die augenblicklichen Fahrtbedingungen
des Kraftfahrzeugs 2 nach ihrem Zusammenführen in
einem Schritt 48 zuerst in einer Reihe von Schritten 50, 52, 54, 56, 58 auf
das Vorliegen von Ausschlusskriterien A1, A2, A3, A4, A5 usw. überprüft, welche
die Einstellung eines Magerbetriebs zum gegenwärtigen Zeitpunkt verhindern.
Diese Kriterien könnten
zum Beispiel eine augenblickliche Fahrtgeschwindigkeit von mehr
als 100 km/h, eine hohe Last während
einer Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeugs oder während einer
Bergauffahrt oder bei niedrigeren Fahrtgeschwindigkeiten einen geringen
Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug 30 oder eine Relativgeschwindigkeit
von mehr als 20 km/h in Bezug zu diesem umfassen. Wenn aufgrund
von einem dieser durch ODER verknüpften Ausschlusskriterien die
Betriebsart mager gegenwärtig
ausgeschlossen ist, wird vom Motorsteuergerät 6 in einem Schritt 60 die
Betriebsart stöchiometrisch
eingestellt und mit einer erneuten Abfrage der Reihe von Schritten 50, 52, 54, 56, 58 begonnen.
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Gleichzeitig
werden die im Schritt 48 zusammengeführten Informationen in einem
Ringspeicher 46 abgelegt, um aus diesen Werten in einem
Schritt 62 im Mikroprozessor 42 ein Fahrprofil
F des Kraftfahrzeugs 2 für einen zurückliegenden Zeitraum von einigen
Minuten Dauer zu erstellen, das den Verlauf der Fahrtgeschwindigkeit,
Motorlast und Abstandsmesswerte des Kraftfahrzeugs in diesem Zeitraum wiedergibt.
Dieses Fahrprofil F wird dann in einem Schritt 64 statistisch
ausgewertet, zum Beispiel durch Vergleich mit einer Reihe von unterschiedlichen,
im normalen Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs häufiger auftretenden Fahrprofilen
F1, F2, F3, die in Form von Tabellen oder Kennlinien im Speicher 44 des
Motorsteuergeräts 6 abgelegt
sein können.
Aus dem jeweiligen Grad der Übereinstimmung
des erstellten Fahrprofils F mit einem oder mehreren gespeicherten Fahrprofilen
F1, F2, F3 lässt
sich in einem Schritt 66 eine Wahrscheinlichkeit W berechnen,
mit der in einem unmittelbar nachfolgenden Zeitraum ein Magerbetrieb
des Verbrennungsmotors 4 des Kraftfahrzeugs grundsätzlich möglich ist.
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Ergibt
ein Vergleich dieser berechneten Wahrscheinlichkeit W in einem nachfolgenden
Schritt 68, dass W kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert
WS1 ist, dann wird der stöchimetrische
Betriebszustand des Verbrennungsmotors 4 vom Motorsteuergerät 6 bis
zur nächsten
Abfrage der Informationen I1, I2, I3, I4 usw. aufrechterhalten.
Wenn jedoch mit größerer Wahrscheinlichkeit
ein Magerbetrieb möglich
ist (W > WS1), dann
wird in einem weiteren Schritt 70 berechnet, mit welcher
Wahrscheinlichkeit WD die voraussichtliche Dauer des Magerbetriebs eine
vorbestimmte Mindestzeit Tmin als Untergrenze für einen Magerbetrieb mit einem
Verbrauchsvorteil gegenüber
einem stöchiometrischen
Betrieb übersteigt.
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Bei
dieser in 3b dargestellten Mindestzeit
Tmin des Magerbetriebs entspricht die Verbrauchseinsparung während des
Magerbetriebs genau dem Mehrverbrauch während einer anschließenden,
zur Regeneration des Speicherkatalysators 16 erforderlichen
Fettphase F, so dass sich gegenüber einem
stöchiometrischen
Betrieb kein Verbrauchsvorteil ergibt. Ein Magerbetrieb mit einer
Zeitdauer von weniger als Tmin, wie in 3c dargestellt,
verbraucht sogar mehr Kraftstoff als eine entsprechend lange Phase
eines stöchiometrischen
Betriebs, wohingegen der Verbrennungsmotor im Magerbetrieb weniger
Kraftstoff als im stöchiometrischen
Betrieb verbraucht, wenn die Dauer des Magerbetriebs Tmin übersteigt,
wie in 3a dargestellt. Die Ursachen dafür wurden
bereits eingangs erläutert
und sollen daher hier nicht wiederholt werden.
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Bei
der Berechnung der Wahrscheinlichkeit WD, mit der die voraussichtliche
Dauer des Magerbetriebs die Zeit Tmin übersteigt, gehen die vom Motorsteuergerät 6 abgefragten
augenblicklichen Fahrtbedingungen mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren
ein. Wird bei einem anschließenden
Schritt 72 festgestellt, dass die so ermittelte Wahrscheinlichkeit WD
einen vorbestimmten Schwellenwert WS2 übersteigt, so wird vom Motorsteuergerät 6 der
Magerbetrieb ausgelöst.
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Verbrennungsmotor
- 6
- Motorsteuergerät
- 8
- Luftansaugrohr
- 10
- Einspritzanlage
- 12
- Abgasleitung
- 14
- Dreiwege-Katalysator
- 16
- NOx-Speicherkatalysator
- 18
- Kurbelwelle
- 20
- Drehzahlsensor
- 22
- Lastsensor
- 24
- Lambdasonde
- 26
- NOx-Sensor
- 28
- Abstandsmessgerät
- 30
- vorausfahrendes
Kraftfahrzeug
- 32
- Sender
- 34
- Empfänger
- 36
- Sensor
- 38
- Räder
- 40
- Taktgeber
- 42
- Mikroprozessor
- 44
- Speicher
- 46
- Ringspeicher
- 48–72
- Verfahrensschritte
- I1–I4
- Informationen
- A1–A5
- Ausschlusskriterien
- W,
WD, WS1, WS2
- Wahrscheinlichkeiten
- F,
F1, F2, F3
- Fahrprofile