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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführung, insbesondere Verfahren zum Einstellen einer Abgasrückführungsrate bei einem Lastwechsel.
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Technischer Hintergrund
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Insbesondere kraftstoffgeführte Verbrennungsmotoren (selbstzündende Verbrennungsmotoren, wie z.B. ein Dieselmotor) werden häufig mit einer Abgasrückführung versehen, um ein inertes Verbrennungsabgas in die Zylinder einzubringen. Dadurch kann die Luftmenge, die für eine Verbrennung in einem Zylinder des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht, reduziert werden, wodurch Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden können.
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Die Menge an rückgeführtem Verbrennungsabgas wird in der Regel durch ein einstellbares Abgasrückführungsventil eingestellt. Das Abgasrückführungsventil wird basierend auf einer Sollvorgabe eines Abgasrückführungsmassenstroms (AGR-Massenstroms) bzw. einer Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) geregelt. Der Istwert des AGR-Massenstroms bzw. der AGR-Rate kann durch eine geeignete Messung, z.B. mit Hilfe eines Differenzdrucksensors, in einer so genannten Venturi-Einheit ermittelt werden. Mit Hilfe des Differenzdrucksensors, einem Saugrohrdruck und einer Temperatur des Verbrennungsabgases kann der AGR-Massenstrom modelliert werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2013 209 037 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Abgasrückführung einer selbstzündenden Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein dynamischer Betriebszustand der Brennkraftmaschine erkannt wird und im Falle eines erkannten dynamischen Betriebszustands ein Korrektureingriff in das Luftsystem der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Insbesondere kann ein optimaler Ladedruckaufbau dann erzielt werden, wenn der maximale Massenstrom über den Turbolader zur Verfügung gestellt wird, wobei in diesem Fall keine Abgasrückführung erfolgt.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 004 534 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines AGR-Ventils, wobei das AGR-Ventil geschlossen wird, wenn das Fahrzeug versucht zu beschleunigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasrückführung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Motorsystem mit Abgasrückführung vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Betreiben des Verbrennungsmotors durch Vorgabe eines Soll-Massenstroms;
- – Durchführen einer Massenstromregelung des Massenstroms basierend auf dem vorgegebenen Soll-Massenstrom; und
- – Ermitteln des Soll-Massenstroms abhängig von einem Inertgasmassenstrom, der abhängig von einem Unterschied zwischen einem dem Verbrennungsmotor zugeführten Gasmassenstrom und einem Frischluftmassenstrom, der zum Erreichen eines vorgegebenen Luft-Kraftstoffverhältnisses in den Zylindern benötigt wird, bestimmt wird.
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Insbesondere kann das Verfahren vorsehen, den Verbrennungsmotors durch Vorgabe eines Soll-AGR-Massenstroms von in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors rückgeführtem Verbrennungsabgas zu betreiben; eine AGR-Massenstromregelung des AGR-Massenstroms basierend auf dem vorgegebenen Soll-AGR-Massenstrom durchzuführen und den Soll-AGR-Massenstrom als Soll-Massenstrom zu ermitteln.
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Das obige Verfahren sieht vor, den rückgeführten Abgasmassenstrom (AGR-Massenstrom) entsprechend eines Soll-AGR-Massenstroms durch Stellen eines Abgasrückführungsventils einzustellen. Bei dynamischen Lasterhöhungen, z.B. bei einer Anforderung eines erhöhten Motormoments durch einen Fahrer, fehlt im Vergleich zu einem statischen Betriebsverhalten (konstante Lastanforderung, konstante Drehzahl) durch die erhöhte Menge von Kraftstoff Sauerstoff in den Zylindern. Um Rußemissionen zu begrenzen und eine schnelle Erhöhung des Motormoments zu erreichen, wird bei einer dynamischen Lasterhöhung üblicherweise das Abgasrückführungsventil geschlossen, um eine Verdrängung von Luft durch rückgeführtes Abgas zu beenden und dadurch eine größere Luftmenge in die Zylinder zu führen. Mit Erreichen des erhöhten Lastpunkts wird dann das Abgasrückführungsventil wieder geöffnet, um die Stickoxidemissionen, die bei Sauerstoffüberschuss auftreten können, zu reduzieren.
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Das obige Verfahren sieht vor, zur Vermeidung einer Rußbildung sicherzustellen, dass während der dynamischen Lasterhöhung kein Luft-Kraftstoff-Verhältnis auftritt, das einen Kraftstoffüberschuss bezüglich eines vorgegebenen minimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufweist. Entsprechend ist vorgesehen, einen Soll-AGR-Massenstrom so vorzugeben, dass dieser eine Luftmenge in den Zylindern ermöglicht, wodurch das vorgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht unterschritten wird. Auf diese Weise kann ein verbessertes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors auf eine Erhöhung einer Lastanforderung erreicht werden und niedrige Ruß- und Stickoxidemissionen auch im dynamischen Motorbetrieb erreicht werden.
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Weiterhin kann der dem Verbrennungsmotor zugeführte Gasmassenstrom durch ein Ladungsmodell abhängig von einem Saugrohrdruck, einer Saugrohrtemperatur und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors ermittelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass, wenn der dem Verbrennungsmotor zugeführte Gasmassenstrom kleiner ist als der Luftmassenstrom, der zum Erreichen des vorgegebenen Luft-Kraftstoffverhältnisses in den Zylindern benötigt wird, der Soll-AGR-Massenstrom als 0 vorgegeben wird.
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Weiterhin kann, wenn der dem Verbrennungsmotor zugeführte Gasmassenstrom größer ist als der Luftmassenstrom, der zum Erreichen des vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in den Zylindern benötigt wird, der kleinere des Inertgasmassenstroms und eines Stationär-AGR-Massenstroms als Soll-AGR-Massenstrom vorgegeben werden, wobei der Stationär-AGR-Massenstrom einem AGR-Massenstrom entspricht, der sich aus einem stationären Betrieb des Verbrennungsmotors bei einer aktuellen Motordrehzahl und bei einer Einspritzmenge von Kraftstoff einstellt, die einer momentanen Lastanforderung, insbesondere basierend auf einem vorgegebenen AGR-Kennfeld, zugeordnet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die AGR-Massenstromregelung einer PID-Regelung entspricht und insbesondere eine AGR-Stellgröße zur Ansteuerung eines AGR-Ventils in einer Abgasrückführungsleitung bereitstellt.
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Insbesondere kann die AGR-Stellgröße unter Umgehung der AGR-Massenstromregelung so vorgegeben werden, dass das AGR-Ventil vollständig geschlossen wird, wenn der Soll-AGR-Massenstrom 0 entspricht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren die Schritte vorsehen:
- – Betreiben des Verbrennungsmotors durch Vorgabe eines Soll-Frischluft-Massenstroms (als der Soll-Massenstrom) eines in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors zugeführten Frischluftmassenstrom;
- – Durchführen einer Luftmassenstromregelung des Frischluftmassenstroms basierend auf dem vorgegebenen Soll-Frischluft-Massenstrom; und
- – Ermitteln des Soll-Frischluft-Massenstroms abhängig von einem Inertgasmassenstrom, der abhängig von einem Unterschied zwischen einem dem Verbrennungsmotor zugeführten Gasmassenstrom und einem Frischluftmassenstrom, der zum Erreichen eines vorgegebenen Luft-Kraftstoffverhältnisses in den Zylindern benötigt wird, bestimmt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Motorsystem mit Abgasrückführung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – den Verbrennungsmotor durch Vorgabe eines Soll-Massenstroms zu betreiben;
- – eine Massenstromregelung des Massenstroms basierend auf dem vorgegebenen Soll-Massenstrom durchzuführen; und
- – den Soll-Massenstrom abhängig von einem Inertgasmassenstrom zu ermitteln, der abhängig von einem Unterschied zwischen einem dem Verbrennungsmotor zugeführten Gasmassenstrom und einem Luftmassenstrom, der zum Erreichen eines vorgegebenen Luft-Kraftstoffverhältnisses in den Zylindern benötigt wird, bestimmt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- – einen Verbrennungsmotor;
- – die obige Vorrichtung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung und einer Abgasrückführung; und
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2 ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion zum Betreiben des Verbrennungsmotors mit einer geregelten Abgasrückführung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der üblicherweise mehrere Zylinder 3 umfasst. Der Verbrennungsmotor 2 kann nach einem Viertaktprinzip arbeiten und insbesondere als ein kraftstoffgeführter Verbrennungsmotor, insbesondere als Dieselmotor, ausgebildet sein.
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Den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 wird über ein Luftzuführungssystem 4 Frischluft zugeführt. Im Betrieb wird entsprechend einer Lastanforderung Kraftstoff über nicht gezeigte Einspritzventile in die Brennräume der Zylinder 3 eingespritzt, nach dessen Verbrennung Verbrennungsabgase über einen Abgasabführungstrakt 5 ausgestoßen werden.
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Im Luftzuführungssystem 4 und im Abgasabführungstrakt 5 ist mindestens eine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen. Die Aufladeeinrichtung 6 umfasst eine Turbine 61, die im Abgasabführungstrakt 5 angeordnet ist, um eine Abgasenthalpie des Verbrennungsabgases in mechanische Energie umzusetzen. Weiterhin ist ein Verdichter 62 vorgesehen, der mit der Turbine 61, beispielsweise mechanisch über eine Welle 63, gekoppelt ist, um Rotationsenergie, die mithilfe der Turbine 61 gewonnen wird, in Verdichtungsleistung zum Verdichten von aus der Umgebung angesaugter Frischluft in einem Ladedruckabschnitt 41 umzuwandeln.
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Der Ladedruckabschnitt 41 kann einen Abschnitt des Luftzuführungssystems 4 definieren, der sich zwischen einem Auslass des Verdichters 62 und einer in dem Luftzuführungssystem 4 angeordneten Drosselklappe 8 befindet. Weiterhin kann dort ein Ladeluftkühler 44 vorgesehen sein. Zwischen der Drosselklappe 8 und den Einlassventilen der Zylinder 3 befindet sich dann ein Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4. Bei einem Luftzuführungssystem 4 ohne Drosselklappe 8 entspricht der Ladedruckabschnitt 41 dem gesamten Abschnitt des Luftzuführungssystems 4 zwischen dem Auslass des Verdichters 62 und (nicht gezeigten) Einlassventilen der Zylinder 3.
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Im Ladedruckabschnitt 41 kann ein Drucksensor 43 vorgesehen sein, der eine Angabe über einen Ist-Ladedruck pLDist bereitstellt. Alternativ kann in einem Saugrohrabschnitt 42 ein Drucksensor vorgesehen sein, mit dessen Hilfe der Ist-Ladedruck pLDist modelliert werden kann.
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Es ist weiterhin mindestens ein Aufladesteller 64 vorgesehen, der die Höhe der zur Verfügung gestellten Turbinenleistung variabel einstellen kann. Der Aufladesteller 64 kann beispielsweise als ein Wastegateventil, als ein VTG-Steller (VTG: Variable Turbine Geometry) oder in sonstiger Weise ausgebildet sein. Der Aufladesteller 64 kann mithilfe einer geeigneten Stellgröße S, die zum Beispiel ein Tastverhältnis für einen Stellmotor des Aufladestellers 64 angibt, basierend auf einer Ladedruckregelung eingestellt werden.
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Es ist weiterhin eine Abgasrückführungsleitung 7 vorgesehen, in der nacheinander ein Abgaskühler 71 zum Kühlen des durchströmenden rückgeführten Verbrennungsabgases und ein AGR-Ventil 72 angeordnet sind. Mithilfe des AGR-Ventils 72 kann eine Menge von Verbrennungsabgas, die in das Luftzuführungssystem 4 eingeleitet und so in die Zylinder 3 rückgeführt wird, eingestellt werden. Diese wird auch AGR-Massenstrom genannt. Der Anteil des rückgeführten Verbrennungsabgases in dem den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 zugeführten Gases wird als Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) bezeichnet. Die AGR-Rate bzw. der AGR-Massenstrom bzw. der Frischluftmassenstrom wird mithilfe einer AGR-Massenstromregelung abhängig von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 durch Stellen des AGR-Ventils 72 mithilfe der AGR-Stellgröße SAGR eingestellt. Die AGR-Stellgröße SAGR dient zur direkten Ansteuerung des AGR-Ventils 72, um den AGR-Massenstrom, die AGR-Rate bzw. den Frischluftmassenstrom zu stellen.
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Es ist ein Steuergerät 10 vorgesehen, das zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2 das AGR-Ventil 72, den Aufladesteller 64, die Drosselklappe 8 und weitere Aktuatoren, wie beispielsweise Einspritzventile zum Bestimmen der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, ansteuern kann. Insgesamt steuert die Steuereinheit 10 die Aktuatoren abhängig von einer von extern bereitgestellten Angabe über ein Soll-Drehmoment sowie von Angaben über den momentanen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2, beispielsweise angegeben durch Drehzahl und Last und/oder weitere Betriebszustandsgrößen, an. Das Soll-Drehmoment kann sich aus einem Fahrerwunsch bzw. einer Lastanforderung ergeben, der über eine Betätigung eines Fahrpedals vorgegeben werden kann.
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Weiterhin kann in der Abgasrückführungsleitung 7 ein AGR-Massenstromsensor 73 vorgesehen sein, um einen aktuellen AGR-Massenstrom zu messen.
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In der Steuereinheit 10 kann weiterhin die AGR-Massenstromregelung implementiert sein. Die AGR-Massenstromregelung ist insbesondere als Software-Algorithmus implementiert und gibt abhängig von einem vorgegebenen Soll-AGR-Massenstrom dmAGRsoll die AGR-Stellgröße SAGR zum Stellen des AGR-Ventils 72 vor. Die AGR-Massenstromregelung ist ausgebildet, um mithilfe der AGR-Stellgröße das AGR-Ventil 72 so einzustellen, dass der Ist-AGR-Massenstrom schnellstmöglich dem vorgegebenen Soll-AGR-Massenstrom folgt. Insbesondere kann die AGR-Massenstromregelung in Form eines PID-Reglers vorgegeben sein.
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In 2 ist ein schematisches Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung einer Ermittlung des Soll-AGR-Massenstroms dmAGRsoll vorgegeben. Das Funktionsdiagramm weist dazu ein Ladungsmodell 21 auf, das basierend auf Zustandsgrößen des Motorsystems 1, insbesondere eines Saugrohrdrucks pS, einer Saugrohrtemperatur TS, einer Anzahl der Zylinder, einem Zylinderhubvolumen und einer Motordrehzahl n, einen in die Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 strömenden Gasmassenstrom dmeng ermittelt.
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Bei kraftstoffgeführten Verbrennungsmotoren wird ein gefordertes Motormoment, d.h. einer Lastvorgabe, durch Vorgabe einer Einspritzmenge dmfuel von Kraftstoff eingestellt. Diese Einspritzmenge dmfuel wird in der Steuereinheit 10 in an sich bekannter Weise aus einem vorgegebenen Fahrerwunschmoment, insbesondere abhängig von einer Fahrpedalstellung, ermittelt.
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In einem Luftmengenberechnungsblock 22 wird aus der entsprechend der Lastvorgabe benötigten Einspritzmenge dmfuel von Kraftstoff weiterhin ein Luftmassenstrom dmair berechnet, der zum Erreichen eines vorgegebenen Luft-Kraftstoffverhältnisses in den Zylindern 3 benötigt wird. Dies stellt gleichzeitig den minimalen Luftmassenstrom dar, der zur Vermeidung von Rußemissionen den Zylindern 3 zugeführt werden muss. Die Berechnung erfolgt in an sich bekannter Weise basierend auf dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das sich betriebspunktabhängig aus einem vorgegebenen Kennfeld ergibt.
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Der so berechnete Luftmassenstrom dmair wird in einem Subtraktionsglied 23 von dem Gasmassenstrom dmeng subtrahiert und das Ergebnis (Differenz), das einem gewünschten Inertgasmassenstrom entspricht, einem Maximum-Auswahlblock 24 zugeführt. Der Inertgasmassenstrom entspricht einem Massenstrom von inertem Verbrennungsabgas, der dem Frischluftmassenstrom hinzugefügt wird, so dass das vorgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den Zylindern erreicht wird. Der Maximum-Auswahlblock 24 ermittelt ein Maximum zwischen einem vorgegebenen Wert 0 und dem Inertgasmassenstrom und leitet das Ergebnis an einen Minimum-Auswahlblock 25 weiter.
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In dem Minimum-Auswahlblock 25 wird ein Minimum aus dem Ergebnis aus dem Maximum-Auswahlblock 24, d.h. entweder der Wert 0 oder dem positiven Inertgasmassenstrom, als Differenz zwischen dem in den Verbrennungsmotor 2 strömenden Gasmassenstrom und dem in dem Verbrennungsmotor 2 benötigten Luftmassenstrom dmair und einem Stationär-AGR-Massenstrom dmAGRstat ausgewählt und als Soll-AGR-Massenstrom dmAGRsoll bereitgestellt.
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Der Stationär-AGR-Massenstrom dmAGRstat entspricht einem Soll-AGR-Massenstrom für einen stationären Betrieb, d.h. einen Betrieb des Verbrennungsmotors bei konstanter Drehzahl und Last. Der Stationär-AGR-Massenstrom dmAGRstat wird aus einem entsprechenden AGR-Kennfeld 26 basierend auf der Motordrehzahl n und einer zum Umsetzen der vom Fahrer gewünschten Lastanforderung benötigten Stationärbetriebseinspritzmenge dmfuelstat ermittelt, wobei die Stationärbetriebseinspritzmenge dmfuelstat die Einspritzmenge für den Betriebspunkt der gewünschten Last unter der Annahme einer konstanten Drehzahl und Last angibt.
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Da zum Erhöhen der Motordrehzahl n des Verbrennungsmotors 2 bei einer dynamischen Lasterhöhung der dafür benötigte Ladedruck meist deutlich zu niedrig ist und damit der benötigt Frischluftmassenstrom nicht sofort erreichbar ist, führt dies bei einer schnellen oder plötzlichen Lasterhöhung zunächst dazu, dass sich ein negativer Wert für den Inertgasmassenstrom nach dem Subtraktionsglied 23 ergibt. Dadurch liefert der Maximum-Auswahlblock einen Wert 0. Als Ergebnis liefert der Minimum-Auswahlblock 25 ebenfalls einen Wert 0, da dieser kleiner ist als der Stationär-AGR-Massenstrom dmAGRstat im stationären Zustand.
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Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass bei Ausgabe eines Werts 0 für den Soll-AGR-Massenstrom dmAGRsoll die in der Steuereinheit 10 ausgeführte AGR-Massenstromregelung umgangen wird und das AGR-Ventil 72 sofort vollständig geschlossen wird, ohne den Umweg über die AGR-Massenstromregelung zu nehmen. Damit kann ein sehr schnelles Ansprechverhalten bei einer schnellen dynamischen Lasterhöhung erreicht werden, da für den Fall eines einzuregelnden Soll-AGR-Massenstroms dmAGRsoll von 0 das AGR-Ventil 72 vollständig geschlossen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013209037 A1 [0004]
- DE 102004004534 A1 [0005]