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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Optimierung von Kennfeldern
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus
der
DE 100 20 448
A1 ist bereits ein Verfahren zur Optimierung von Kennfeldern
bekannt, bei dem durch Messungen an einer Brennkraftmaschine ein
Modell der Brennkraftmaschine gebildet wird. Dieses Modell wird
dann für
eine eigentliche Optimierung von Kennfeldern, die zur Steuerung
der Brennkraftmaschine verwendet werden, herangezogen.
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Aus
der
DE 102 19 797
A1 ist bereits ein Verfahren zur Optimierung von Kennfeldern
bekannt, bei dem eine Glättung
der Kennfelder berücksichtigt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Optimierung von Kennfeldern mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
hat die Ausgabe ein kostengünstiges
Verfahren zur Erzeugung geglätteter
Kennfelder zur Steuerung einer Brennkraftmaschine anzugeben.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der
abhängigen
Patentansprüche.
Besonders einfach erfolgt die Steuerung durch die Kennfelder, indem die
Kennfelder in Abhängigkeit
von Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine Steuergrößen für die Brennkraftmaschine
ermitteln. Zur Modellbildung wird besonders einfach ein Polynom,
vorzugsweise zweiter Ordnung, verwendet. Ein derartiges Modell bildet
eine besonders gute Abbildung der Brennkraftmaschine, wenn für jeden Betriebszustand
ein eigenes Polynom zugeordnet ist. Weiterhin werden bei der Optimierung
Nebenbedingungen hinsichtlich der Ausgangsgangsgrößen der Brennkraftmaschine
und der Steuergrößen der Brennkraftmaschine
berücksichtigt.
Dies kann dadurch erfolgen, dass bestimmte Bereiche von Ausgangsgrößen bzw.
Steuergrößen nicht
zulässig
sind oder indem in den Modellen bestimmte Bereiche von Ausgangsgrößen oder
Steuergrößen entsprechend berücksichtigt
werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 schematisch
einen Prüfstand
mit einer Brennkraftmaschine,
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2 die
Ermittlung eines Modells der Brennkraftmaschine und
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3 Verfahrensschritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
der 1 wird schematisch eine Vorrichtung. zur Optimierung
von Kennfeldern zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gezeigt.
Dabei wird eine Brennkraftmaschine 2 von Steuergrößen 12 angesteuert
und es entstehen entsprechende Ausgangsgrößen 13 der Brennkraftmaschine 2.
Die Steuergrößen 12 werden
von einer Steuervorrichtung 1 erzeugt, der wiederum Betriebszustände 11 zugeführt werden.
Die Auswertung der Ausgangsgrößen 13 der
Brennkraftmaschine erfolgt durch eine Auswerteeinheit 3.
Bei den Betriebszuständen 11 handelt
es sich um Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 2, beispielsweise um die Drehzahl
und die Last. Weitere Betriebszustände der Brennkraftmaschine 2 können in
externen Umweltbedingungen, beispielsweise die Lufttemperatur, Luftdruck
und dergleichen bestehen. Die Begriffe Last und Drehzahl werden
in folgenden Ausführungen
als Synonyme für die
Betriebszustände
verwendet. In Abhängigkeit
von diesen Betriebszuständen 11 ermittelt
die Steuervorrichtung 1 Steuergrößen 12. Bei diesen
Steuergrößen 12 kann
es sich um eine Vielzahl von Größen zur Beeinflussung
des Betriebs der Brennkraftmaschine 2 handeln. Typische
Steuergrößen sind
beispielsweise der Zündwinkel,
der Einspritzbeginn, die Abgasrückführrate,
der Druck im Saugrohr bzw. die Stellung der Drosselklappe, Ladedruck
eines Turboladers und weitere Steuergrößen. Insbesondere bei modernen Benzinmotoren,
bei denen der Kraftstoff direkt eingespritzt wird, sind eine Vielzahl
von Steuergrößen zur Beeinflussung
der Brennkraftmaschine 2 möglich. In Abhängigkeit
von den Steuergrößen bzw.
den Betriebszuständen
wird die Verbrennung in der Brennkraftmaschine 2 beeinflusst,
was sich durch entsprechende messbare Ausgangsgrößen 13 nachweisen lässt. Derartige
Ausgangsgrößen 13 sind
beispielsweise das von der Brennkraftmaschine abgegebene Moment
oder Leistung, der Verbrauch, die Laufruhe oder Laufunruhe und weitere
Ausgangsgrößen. Ziel der
Optimierung ist es nun, für
jeden Betriebszustand 11 die Steuergrößen 12 zu ermitteln,
die die optimalen Ausgangsgrößen 13 liefern.
Da zum Teil die Anforderungen an verschiedene Ausgangsgrößen 13 miteinander
konkurrieren , müssen
die entsprechenden Ausgangsgrößen gegeneinander
gewichtet werden, d. h. es muss bei der Optimierung bestimmt werden,
in welchem Verhältnis
die Steuergrößen zueinander
stehen und inwieweit die eine Steuergröße zu Lasten der anderen Steuergröße verbessert
wird. Insbesondere hinsichtlich der Abgasemissionen sind dabei gesetzliche
Vorgaben einzuhalten, die als Nebenbedingungen bei der Optimierung
berücksichtigt werden
müssen.
Weiterhin lassen sich auch nicht alle Steuergrößen 12 in beliebigem
Umfang verändern, da
die entsprechenden Stellglieder oder Aktoren Begrenzungen hinsichtlich
des Stellbereichs unterworfen sind. Auch diese Begrenzungen der
Stellgrößen müssen daher
als Nebenbedingungen bei der Optimierung berücksichtigt werden. Für die Optimierung ist
ein Optimierer 4 vorgesehen, der mit einer Datenleitung 21 mit
der Signalaufbereitung 3 verbunden ist. Über diese
Datenleitung 21 werden die von der Signalverarbeitung 3 gemessenen
Ausgangsgrößen 13, die
eventuell noch aufbereitet wurden, an den Optimierer 4 weitergegeben.
Weiterhin ist der Optimierer 4 noch mit Datenleitungen 22 und 23 mit
der Steuervorrichtung 1 verbunden. Über diese Datenleitung hat
der Optimierer 4 die Möglichkeit,
die Steuervorrichtung 1 zu verändern, insbesondere die Ermittlung der
Steuergrößen 12 in
Abhängigkeit
von den Betriebszuständen 11 zu
beeinflussen. Weiterhin werden dem Optimierer über die Leitung 23 die
Betriebszustände 11 und
die verwendeten Steuergrößen 12 mitgeteilt.
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Zur
Optimierung kann nun eine reale Brennkraftmaschine
2 in
der Vorrichtung nach der
1 verwendet werden. Die Ansteuerung
einer realen Brennkraftmaschine in einem Motorprüfstand oder in einem Kraftfahrzeug
erfolgt dadurch, dass ein entsprechendes Steuergerät in Abhängigkeit
von Betriebszuständen
11 entsprechende
Steuergrößen
12 berechnet.
Die Berechnung der Steuergrößen
12 erfolgt
dabei unter Verwendung von Kennfeldern, d. h. Datensätze, die
bestimmten Eingangsbedingungen bestimmte Ausgangsbedingungen zuordnen.
Durch diese gespeicherten Datensätze
können
besonders einfach komplexe Zusammenhänge zwischen Eingangsdaten
und Ausgangsdaten durch entsprechende Stützstellen dargestellt werden,
wobei die entsprechenden Ausgangsdaten an Stellen zwischen den Stützstellen
durch Interpolation ermittelt werden. Durch die Verwendung von derartigen
Kennfelder ist es nicht erforderlich, dass die Steuergeräte komplexe mathematische
Funktionen berechnen müssen,
was die Betriebssicherheit und auch die Geschwindigkeit, mit der
die Steuergrößen
12 ermittelt
werden, verbessert. Bei der Optimierung an einer realen Brennkraftmaschine
2 wird üblicherweise
als Steuervorrichtung
1 ein Steuergerät verwendet, welches sich von
dem normalen Seriensteuergerät
nur darin unterscheidet, dass die Daten in den Kennfeldern verändert werden können. Dies
erfolgt durch den Optimierer
4. Alternativ kann das Steuergerät aber auch
als Programm in einem Rechner ausgebildet sein. Die Berechnungen erfolgen
aber wieder mittels abgespeicherter Kennfelder. Durch Veränderung
der Daten der Kettnfelder in der Steuervorrichtung
1 kann
dann eine Optimierung der Kennfelder durch Betrachtung der Ausgangsgrößen
13 erfolgen.
Dazu werden von dem Optimierer
4 die Kennfelder in der
Steuervorrichtung
1 verändert
und es wird untersucht; ob die entsprechenden Ausgangsgrößen, beispielsweise
der Verbrauch oder die Abgase, durch diese Variation zum Positiven
verändert
werden. Dieses Vorgehen entspricht dem Vorgehen, wie es beispielsweise
aus der
DE 102 19
797 A1 bekannt ist. Aufgrund der Vielzahl der Steuergrößen ist
dieser Prozess jedoch sehr zeitaufwändig.
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In
der
DE 100 20 448
A1 wird daher die Verwendung einer virtuellen Brennkraftmaschine
2 vorgeschlagen.
Eine derartige virtuelle Brennkraftmaschine
2 besteht aus
einem mathematischen Modell, welches die Abhängigkeit der Ausgangsgrößen
13 von
den Steuergrößen
12 und
den Betriebszuständen
11 angibt.
Dieses Berechnungsmodell wird durch Messung an einer realen Brennkraftmaschine
2 gebildet.
Der Vorteil ist darin zu sehen, dass die Erzeugung des Modells wesentlich
einfacher ist als eine Optimierung aller Steuergrößen, da
die funktionale Abhängigkeit
zwischen Steuergrößen
12 und
Ausgangsgrößen
13 im
Rahmen des vorgegebenen Modells durch wenige Messungen bestimmt
werden kann. Wenn dann durch diese Messungen eine entsprechende
virtuelle Brennkraftmaschine gebildet wurde, so erfolgt die eigentliche
Optimierung der Kennfelder, die ja später in der Steuervorrichtung
1 zur
Steuerung der realen Brennkraftmaschine verwendet werden sollen,
anhand dieser virtuellen Brennkraftmaschine. D. h. es wird wieder
eine Steuervorrichtung
1 verwendet, die in der gleichen
Art wie ein fertiges Seriensteuergerät mittels Kennfeldern die Steuergrößen
12 berechnet.
Es wird dann mittels der virtuellen Brennkraftmaschine
2 untersucht,
wie durch Veränderung
der Kennfelder in der Steuervorrichtung
1 die Ausgangsgrößen
13 optimiert
werden können.
Da nicht eine reale Brennkraftmaschine, sondern eine virtuelle Brennkraftmaschine
verwendet wird, kann dann dieser Vorgang vollständig in einem Rechner ablaufen
und es wird daher deutlich schneller und kostengünstiger, da kein Prüfstand für die Brennkraftmaschine
verwendet werden muss. Im Prinzip wird hier das Berechnungsmodell
der virtuellen Brennkraftmaschine
2 verwendet, um das Rechenmodell
des Seriensteuergeräts
mittels Kennfeldern zu optimieren. Das Rechenmodell der virtuellen Brennkraftmaschine
2 benötigt jedoch
eine Rechnerleistung, die das Leistungsvermögern eines normalen Motorsteuergeräts bei Weitem übersteigt.
Die virtuelle Brennkraftmaschine
2 ist daher nur ein Mittel für die Entwicklung
und nicht geeignet, die bisherigen Motorsteuergeräte, die
mittels Kennfeldern arbeiten, zu ersetzen.
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Bei
der Ermittlung der Kennfelder für
die Steuervorrichtung l wird neben der Optimierung der Ausgangsgrößen 13 durch
Wahl der richtigen Steuergrößen 12 in
Abhängigkeit
vom jeweiligen Betriebszustand 11 weiterhin noch die Glättung der
Kennfelder im Steuergerät 1 berücksichtigt.
Dazu wird die Glättung
aus einer Nachbarschaftsbeziehung der Stützstellen der einzelnen Kennfelder
berechnet. Dabei können
entweder nur die unmittelbaren Nachbarn jeder Stützstelle oder aber auch weiter
entfernt liegende Nachbarn von Stützstellen berücksichtigt
werden. Weiterhin hängen
die einzelnen Stützstellen
der Kennfelder dadurch zusammen, dass die Ausgangsgrößen beeinflusst
werden. Es muss daher eine Gesamtbetrachtung erfolgen, d. h. die
Glättung
aller Kennfelder und die Abhängigkeit
aller Ausgangsgrößen 13 von
den Kennfeldern müssen
gemeinsam bei einer Optimierung berücksichtigt werden. Dies wird dadurch
erreicht, dass mathematisch eine gemeinsame oder simultane Optimierung
aller betrachteten Größen, d.
h. der Glättung
aller Kennfelder und aller Ausgangsgrößen 13 erfolgt. Der
jeweilige Einfluss der unterschiedlichen Beiträge wird dabei durch entsprechende
Gewichtungsfaktoren berücksichtigt.
Es kann so der Einfluss bestimmter Größen unterschiedlich gewichtet
werden.
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Beispielsweise
kann die Glättung
des Kennfeldes für
den Zündwinkel
stärker
gewichtet werden als die eines anderen Kennfelds. Ebenso können die verschiedenen Ausgangsgrößen 13 untereinander oder
relativ zu den Glättungen
der Kennfelder gewichtet werden. Beispielsweise ist es sehr gut
möglich,
dem Abgasausstoß ein
größeres Gewicht
einzuräumen
als dem Verbrauch. Durch die Glättung
der Kennfelder wird erreicht, dass ein Hin- und Herspringen der
Steuergrößen 12 bei
geringen Variationen der Betriebszustände 11 vermieden wird.
Da die Werte zwischen den Stützstellen
der Kennfelder interpoliert werden, würde es sonst beim Durchfahren
des Kennfeldes im dynamischen Betrieb oder bei einem Pendeln der
Betriebszustände
um einen bestimmten Betriebszustand herum zu unsinnigen Sprüngen und Streuungen
der Steuergrößen 12 kommen,
wodurch der Betrieb der realen Brennkraftmaschine durch die Steuervorrichtung 1 verschlechtert
würde.
Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, neben der Optimierung der Ausgangsgrößen 13 zusätzlich auch die
Glättung
der verwendeten Kennfelder in einer gemeinsamen Optimierung zu berücksichtigen.
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In
der 2 wird dargestellt, wie durch Messungen an einer
realen Brennkraftmaschine 2 die Parameter für die virtuelle
Brennkraftmaschine, wie sie in der 1 zur Optimierung
der Steuervorrichtung 1 verwendet wird, gewonnen wird.
Mit den Bezugszeichen 2, 3, 11, 12, 13 und 21 werden
wieder die gleichen Gegenstände
wie in der 1 bezeichnet, wobei hier jedoch
mit der Brennkraftmaschine 2 eine reale Brennkraftmaschine,
und keine virtuelle Brennkraftmaschine bezeichnet wird. In Abhängigkeit
von Betriebszuständen 11 werden
Steuersignale 12 zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine 2 erzeugt
und das entsprechende Verhalten der Brennkraftmaschine wird anhand
der Ausgangsgrößen 13 von
der Signalverarbeitung 3 erfasst und über die Datenleitung 21 an
einen Rechner 5 zurückgemeldet.
In dem Rechner 5 ist ein Modell der Brennkraftmaschine
gespeichert, welches den möglichen
Kombinationen an Steuergrößen 12 und
Betriebszuständen 11 entsprechend
die Ausgangsgrößen 13 zuordnet.
Beispielsweise ist es bekannt, dass bei einer Verstellung des Zündwinkels
in Richtung Früh
das von dem Motor 2 abgegebene Moment erhöht wird.
Wenn jedoch der Zündwinkel
zu sehr nach Früh
verstellt wird, so erfolgt die Verbrennung klopfend, was zu einer
Zerstörung
des Motors führt.
Auch wenn die prinzipielle Abhängigkeit
zwischen Zündwinkel
und Moment bekannt ist, so ist jedoch die konkrete Abhängigkeit,
d. h. wie weit in Richtung Früh
lässt sich
sinnvoller Weise der Zündwinkel
für den
realen Motor verstellen, nicht bekannt, sondern muss durch konkrete
Messungen an der jeweiligen Brennkraftmaschine herausgefunden werden.
Es ist daher erforderlich, die konkreten Parameter des Modells zu
bestimmen. Wenn dann diese Parameter bekannt sind, lässt sich durch
das in dem Rechner 5 gespeicherte mathematische Modell
die Funktion der realen Brennkraftmaschine 2 einfach und
schnell durch entsprechende Berechnungen nachweisen. Wenn also das
Modell der virtuellen Brennkraftmaschine 2 durch Messungen
an einer realen Brennkraftmaschine 2 hinsichtlich der Parameter
ermittelt wurde, so kann dann dieses Modell zur Optimierung, wie
es zur 1 beschrieben wurde, verwendet werden.
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Ein
besonders einfaches mathematisches Modell läßt sich dadurch erhalten, dass
für eine
Reihe von Betriebszuständen
jeweils ein lokales Modell gebildet wird, bei dem die Ausgangsgrößen 13 als Polynom
von den Steuergrößen 12 abhängen. Für die Bestimmung
des Modells werden zunächst
bestimmte Betriebszustände 11 ausgewählt; an
denen die lokalen Modelle gebildet werden . Ein Beispiel für einen
Betriebszustand 11 ist der Leerlauffall, d. h. Drehzahl
= Leerlaufdrehzahl und keine Lastanforderung durch den Fahrer. Für jeden
betrachteten Betriebszustand werden dann die Koeffizienten eines Polynoms
bestimmt, welches den Zusammenhang zwischen den Steuergrößen 12 und
den Ausgangsgrößen 13 angibt.
In diesem lokalen Modell wird der Zusammenhang zwischen Steuergrößen S1,
S2, S3, ... und Ausgangsgrößen A1,
A2, ... in der Form eines Polynoms, beispielsweise eines Polynoms
zweiter Ordnung, in der Form dargestellt, dass A1
= K1,0 + K1,1·S1
+ K1,2·S12 + K1,3·S2 + K1,4·S22 +
K1,5·S1·S2 + K1,6 ·S3 + ... A2 = K2,0 + K2,1·S1 + K2,2·S12 +
K2,3·S2
+ K2,4·S22 + K2,5·S1·S2 + K2,6 ·S3 + ...
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Neben
Polynomen (auch höherer
Ordnung) sind auch beliebige andere mathematische Funktionen verwendbar,
die den Zusammenhang zwischen Steuergrößen und Ausgangsgrößen angeben.
Zur Bestimmung der Ausgangsgröße A1 für diesen
bestimmten Betriebszustand (Last-, Drehzahlpunkt) lassen sich durch
gezielte Variation der Steuervariablen S 1, S2 usw., Messung von
A1 und eine anschließende
Regressionrechnung die Werte für
die Koeffizienten K1,0, K11 usw. bestimmen. Es kann so für diesen
Betriebszustand relativ einfach bestimmt werden, wie die Abhängigkeit
zwischen Steuergrößen S und
Ausgangsgrößen A ist.
Durch Ausmessen einer Vielzahl von Last- und Drehzahlkombinationen
werden so eine Vielzahl von lokalen Modellen ermittelt, die als
Gesamtheit ein Modell der Brennkraftmaschine bilden, welches über einen
weiten Last-, Drehzahlbereich die Zusammenhänge zwischen Steuergrößen S und
Ausgangsgrößen A angibt.
Es ist dabei nicht erforderlich, eine genaue Kenntnis von den physikalischen
Abhängigkeiten
zwischen den Ausgangsgrößen und
den Steuergrößen zu haben.
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Bei
der Auswahl der Last- und Drehzahlpunkte, an denen die Messungen
erfolgen sollen, sollten bestimmte Betriebszustände, die für den späteren Betrieb der Brennkraftmaschine
von besonderer Bedeutung sind, besonders berücksichtigt werden. Der Zeitaufwand
für die
Messungen der Koeffizienten ist vergleichsweise gering im Vergleich
zu den Messungen, die an einer realen Brennkraftmaschine notwendig
wären,
um die Kennfelder in der Steuervorrichtung 1 zu optimieren.
Nach der Bestimmung der Koeffizienten für das Modell erfolgt dann die
Optimierung der Steuervorrichtung 1, wie es in der 1 gezeigt
wurde, d. h. das Modell wird verwendet, um die Kennfelder in der
Steuervorrichtung 1 zu optimieren.
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In
der 3 wird ein Verfahrensablauf für die Optimierung der Kennfelder
in einer Steuervorrichtung 1 beschrieben. In einem ersten
Schritt 101 werden die Betriebszustände ausgewählt, die für die Modellbildungen herangezogen
werden. Die dabei ausgewählten
Betriebszustände
sollten den gesamten möglichen
Bereich der Betriebszustände 11 der Brennkraftmaschine
abdecken und in den Bereichen, in denen die Brennkraftmaschine 2 besonders
häufig betrieben
wird, soll die Zahl der untersuchten Betriebszustände 11 erhöht werden.
Nachdem die zu untersuchenden Betriebszustände 11 festgelegt
sind, erfolgt im Schritt 102 die Bestimmung der Modellparameter
in einer Vorrichtung, wie sie in der 2 beschrieben
wurde. Bei dieser Messung an einer realen Brennkraftmaschine werden
die Parameter des Modells an den zuvor festgelegten Betriebszuständen 11 ermittelt.
Im Schritt 103 erfolgt dann die Optimierung der Kennfelder
in der Steuervorrichtung 1, wie dies in der 1 dargestellt
wird. Dabei wird die Brennkraftmaschine 2 durch die virtuelle
Brennkraftmaschine 2 gebildet. Dieser Vorgang kann auch
vollständig
in einem Rechner erfolgen, in dem die interne Funktion der Steuervorrichtung 1,
d. h. die Berechnung von Steuergrößen 12 in Abhängigkeit
von Betriebszuständen 11 durch
entsprechende Berechnungsvorschriften abgebildet ist. Im Prinzip
erfolgt dann die Optimierung der Steuervorrichtung 1 komplett
in einem Rechner, bei dem ein erstes Rechenmodell (virtueller Motor)
benutzt wird, um ein zweites Rechenmodell (Steuervorrichtung 1)
zu optimieren.
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Nach
dieser Optimierung werden dann im Schritt 104 die so aufgefundenen
Werte für
die Kennfelder in eine reale Steuervorrichtung 1 übertragen und
können
dann zum Betrieb der realen Brennkraftmaschine 2 verwendet
werden.