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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine. Es ist bekannt, das Verhalten einer Brennkraftmaschine mittels
eines Modells zu beschreiben, welches einen stationären Zustand
im Betrieb der Brennkraftmaschine voraussetzt und wobei der stationäre Zustand über Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine bestimmt ist. Dabei besteht ein erster Teil
von Betriebsparametern, welche für
das Modell der Brennkraftmaschine, nach dem die Steuerung erfolgt,
vorgegeben sind oder aber in anderer Weise feststehen, beispielsweise
aufgrund anderer Rahmenbedingungen. Aufgrund des Modells der Brennkraftmaschine
werden dann die Größen eines
zweiten Teils der Betriebsparameter bestimmt, und zwar derart, dass
sich eine bestimmte Betriebsgröße, wie
beispielsweise ein Solldrehmoment, für die Brennkraftmaschine ergibt.
Aufgrund der ermittelten Größen des
zweiten Teils der Betriebsparameter werden Aktoren der Brennkraftmaschine
im Sinne des Erzeugens der Größen für den zweiten
Teil der Betriebsparameter angesteuert. In dieser Weise kann das
Verhalten einer Brennkraftmaschine aufgrund des einen stationären Zustand
beschreibenden Modells für
Betriebsparameter entsprechend berechnet werden. Die Modellbildung
und die Bestimmung der Betriebsparameter führt dabei zu einem guten und
günstigen
Betrieb der Brennkraftmaschine.
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Eine
derartige Steuerung für
einen Verbrennungsmotor, bei der das Drehmoment für den statischen
und dynamischen Zustand in verschiedenen Einrichtungen ermittelt
wird, ist beispielsweise aus der
DE 103 28 595 A1 bekannt. Aus der
DE 103 38 505 A1 ist
eine Regelvorrichtung bekannt, bei der die Berechnung von Modellparametern
unterbrochen wird, wenn beispielsweise die Kraftstoffzufuhr unterbrochen
wird.
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Es
können
jedoch instationäre
Zustände
hinsichtlich der Brennkraftmaschine in deren Betrieb auftreten.
Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn zwischen zwei Betriebsarten
einer Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung ein
Umschalten erfolgt oder wenn ein Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen
Geometrien der Steuerventile (Eventdauer, Ventilhub) der Brennkraftmaschine
erfolgt. Unterschiedliche Betriebsarten der Kraftstoffeinbringung
können
dabei in einem unterschiedlichen Niveau des Ein spritzdruckes und/oder
in Zeitdauer und Kraftstoffmengenverhältnis einer Voreinspritzung
zu einer Haupteinspritzung liegen.
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Ein
Verfahren zur instationären
Steuerung einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der
DE 44 40 640 A1 bekannt.
Ein Verfahren zur Motormomenteinstellung, bei dem in der instationären Phase
zwischen einem dynamischen und einem quasistatischen Momentenanteil
unterschieden wird, ist aus der
DE 196 30 213 C1 bekannt. Aus der
DE 198 50 581 C1 ist
ein Verfahren zur Ermittlung eines Drehmomentes bekannt, bei dem
für den
gedrosselten und den ungedrosselten Betrieb zwischen verschiedenen
Modellen oder Teilmodellen umgeschaltet wird. Ferner ist aus der
DE 198 28 035 A1 eine Brennkraftmaschine
mit mehreren Betriebsarten bekannt. Einer davon ist ein instationärer Homogenbetrieb.
Die Berechnungen für
diese Betriebsart basieren auf Simulations- oder Modellrechnungen
oder werden in Abhängigkeit
von einer oder mehreren Betriebsgrößen ermittelt.
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Das
Beschreiben einer Brennkraftmaschine in einem solchen instationären Zustand
aufgrund eines Modells ist extrem rechenaufwändig, da die Modellbildung
für solche
instationäre
Zustände
den Aufwand an das Modell und auch an die Rechenleistung der Motorsteuerung
erheblich steigert. Insbesondere die erforderliche Rechenleistung
zur aufwändigen Modellbildung
instationärer
Zustände,
welche über den
Gesamtzeitraum des Betriebes der Brennkraftmaschine gesehen sehr
selten erfolgt, erhöht
die Anforderungen an die Hardware und verteuert das einzelne Motorsteuergerät in erheblicher
Weise.
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Aus
der
DE 198 51 974
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
von Betriebsartenwechseln bei einer Brennkraftmaschine bekannt, bei
der die Rechenleistung optimiert werden soll. Hierzu werden unterschiedliche
Rechenzeitraster für die
aus Sensorabfragen und mathematischen Modellen zu ermittelnden Parameter
ja nach aktueller Betriebsart eingesetzt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Brennkraftmaschine so zu betreiben,
dass trotz des Vorhandenseins instationärer Zustände der Brennkraftmaschine
zu jedem Zeitpunkt eine gültige
Bestimmungen für
die Größe des zweiten
Teils der Betriebsparameter ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß der Erfindung gelöst. Bei
einer Brennkraftmaschine sind zum Betreiben der Brennkraftmaschine Betriebsparameter
gegeben, welche im Bereich eines stationären Zustandes gültig sind.
Die Größen eines
ersten Teiles der Betriebsparameter sind dabei bekannt, die Größen eines
zweiten Teils der Be triebsparameter werden aufgrund eines Modells
derart ermittelt, dass die Brennkraftmaschine ein Solldrehmoment
erzeugt. Sobald im Betrieb der Brennkraftmaschine ein instationärer Zustand
auftritt, wird vom modellbasierten auf ein zündsynchrones Ermitteln der
Größen von
Betriebsparametern übergegangen.
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Es
erfolgt also gemäß der Erfindung
beim Vorliegen von instationären
Zuständen
des Betriebs der Brennkraftmaschine kein Ermitteln der Betriebsparameter
aufgrund eines Modells. Auf die modellbasierte Ermittlung der Betriebsparameter
wird verzichtet, solange ein instationärer Zustand vorliegt.
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Das
Erfordernis des Vorliegens eines Modells für instationäre Zustände der Brennkraftmaschine
wird vermieden. Es wird auf eine zündsynchrone Ermittlung der
Größen von
Betriebsparametern übergegangen.
Somit stehen Werte für
die Betriebsparameter, insbesondere den zweiten Teil der Betriebsparameter,
zur Verfügung
und werden jeweils entsprechend dem einzelnen Zündvorgang vorab ermittelt und
eingesteuert. Dies erlaubt den Betrieb der Brennkraftmaschine in
einem instationären
Betriebszustand. Allerdings ist zumindest für den Zeitpunkt des instationären Zustandes
keine modellbasierte Regelung mehr gegeben, sondern es wird mehr
auf einen Steuerungsvor gang übergegangen.
Dies ist jedoch hinnehmbar, da sich instationäre Zustände einer Brennkraftmaschine
nur über
kurze Zeiträume
und nicht über
einen andauernden Betriebszeitraum der Brennkraftmaschine hinweg
erstrecken.
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Instationäre Zustände treten
nur als Übergangsphasen
zwischen zwei voneinander unterschiedlichen stationären Zuständen auf.
Dennoch ermöglicht
es die Erfindung in günstiger
Weise die Brennkraftmaschine auch für instationäre Zustände zu betreiben und dabei
Betriebsparameter zu ermitteln. Der rechnerische Aufwand zur Ermittlung
der Betriebsparameter wird in erheblicher Weise abgesenkt, weil
aufwändige
Modelle und hohe Rechenleistung für die instationären Zustände nicht
erforderlich sind.
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Dabei
können
die verwendeten Modelle vor und nach einem Umschaltvorgang sowohl
hinsichtlich der verwendeten Parameter als auch der Zuordnung der
Parameter in ersten und zweiten Teil sowohl einander entsprechen
als auch abweichend voneinander gestaltet sein.
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Gemäß bevorzugter
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Betriebsparameter
wenigstens ein Teil der Größen aus
Füllungsgrad
der Brennkammern, Zündzeitpunkt,
Zündungsverlauf, Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
der Brennkammer, Abgasrückführrate und
die Drehzahl der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Diese Liste
der Parameter stellt keine abschließende Aufzählung dar. Vielmehr können neben
genannten Größen auch noch
weitere Größen als
Parameter herangezogen werden.
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Dabei
ist insbesondere vorgesehen, dass Drehzahl und Füllungsgrad der Brennkammern stimmt
bzw. gemessen werden. Typischerweise ist die Drehzahl einer Brennkraftmaschine
ein Messwert und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
wird vorzugsweise so bestimmt, dass bei der vorliegenden Drehzahl eine
besonders günstige
Verbrennung und damit hinsichtlich Verbrauch und/oder Abgasentwicklung günstige Betriebszustände erzeugt
werden. Insbesondere kann auch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch
eine Regeleinrichtung vorgegeben sein, die das Brenngas im Hinblick
auf eine stromabwärts
der Brennkraftmaschine erfolgende Abgasaufbereitung anpasst. Dementsprechend
gehören
die Betriebsparameter dem zweiten Teil der Betriebsparameter an und
werden über
ein Modell bestimmt. Es sind dies insbesondere der Füllungsgrad
und der Zündzeitpunkt
der Brennkraftmaschine, soweit es sich nicht um einen Selbstzünder handelt.
Die Verwendung dieser Parameter als Betriebsparameter und die Aufteilung
der Betriebsparameter in den ersten Teil von Betriebsparametern
und den zweiten Teil von Betriebsparametern entspricht üblichen
Ausgestaltungen von Brennkraftmaschinen, wie sie auch hier verwendet
werden können.
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Gemäß vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als instationärer Zustand der
Brennkraftmaschine ein Wechsel zwischen zwei Betriebsarten einer
Direkteinspritzung des Kraftstoffes stattfindet. Es ist bekannt,
dass durch einen Wechsel des Einspritzverhaltens der Einspritzanlage eine
leistungs-/verbrauchsoptimierte Anpassung des Betriebs der Brennkraftmaschine
möglich
ist. So kann zum Beispiel zu einem Zeitpunkt eine Voreinspritzung
von Kraftstoff stattfinden, während
in anderen Betriebssituationen der Brennkraftmaschine eine solche
Voreinspritzung nicht erforderlich ist. Dies kann insbesondere dann
der Fall sein, wenn unterschiedliche Betriebsarten hinsichtlich
der Gemischaufbereitung vorliegen. So ist es möglich, in einem bestimmten
Leistungsbereich eine Brennkraftmaschine als sogenannten Magermotor
zu betreiben, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
mager, also mit einem überstöchiometrischen
Kraftstoffverhältnis
(λ > 1) betrieben wird,
während
bei anderen Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine ein
stöchiometrisches
oder unterstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis gegeben
sein kann, also ein normaler oder ein fetter Betrieb der Brennkraftmaschine.
Die Übergänge zwischen
solchen Betriebszuständen
stellen Diskontinuitäten
im Betrieb dar, die zu instationären
Zuständen
bezüglich
dem verwendeten Modell der Brennkraftmaschine führen und nicht mehr durch ein
stationäres
Modell der Brennkraftmaschine darstellbar sind, so dass eine modellbasierte
Regelung ohne Berücksichtigung
der instationären
Zustände
nicht möglich
wäre. Gemäß vorteilhafter
Ausgestaltung kann der instationäre
Zustand auch in einer temporären
Zylinderabschaltung einzelner oder aller Brennkammern der Brennkraftmaschine
bestehen.
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Ein
weiteres Beispiel für
instationäre
Zustände
liegt dann vor, wenn die Brennkraftmaschine eine Verstelleinrichtung
für die
Geometrie der Steuerventile, insbesondere der Lufteinlassventile
in die Brennkammern aufweist. Es sind Ventilverstelleinrichtungen
bekannt, über
die diskret oder kontinuierlich die Ventilöffnungsdauer (Eventdauer) und/oder
der Ventilhub von Steuerventilen der Brennkammern der Brennkraftmaschine
veränderbar
sind. Auch hier stellt ein Umschaltvorgang zwischen unterschiedlichen
wirksamen Geometrien der Steuerventile der Brennkraftmaschinen die
Diskontinuitäten im
Betriebszustand dar und ein stationäres Modell ist nicht mehr geeignet
das Verhalten der Brennkraftmaschine zu beschreiben.
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Es
entspricht einer vorteilhaften Verwendung der Erfindung, wenn beim
Vorliegen solcher instationärer
Zustände
die Ermittlung wenigstens der Betriebsparameter des zweiten Teils
eine zündsynchrone
Ermittlung anstelle der modellbasierten Ermittlung erfolgt. Es wird
durch diese Maßnahme
ermöglicht, dass
die Brennkraftmaschine auch während
einer solchen Übergangsphase,
also eines solchen Schaltvorganges oder Umstellvorganges in einem
definierten Zustand betrieben werden kann, ohne dass es erforderlich
ist, in aufwändiger
Rechenarbeit und mit großem
Rechenaufwand den instationären
Zustand zu modellieren.
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Dabei
entspricht es besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung,
wenn wenigstens die Betriebsparameter des zweiten Teils der Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine synchron ermittelt werden. Darüber hinaus
können
auch weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zündsynchron
ermittelt werden, es kann sich insbesondere auch um eine zündsynchrone
Ermittlung der Betriebsparameter Zündzeitpunkt, Füllungsgrad,
Luft-Kraftstoff-Gemisch
handeln.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die zündsynchrone Ermittlung von
Betriebsparametern aufgrund einfacher Zuordnungsfunktionen, beispielsweise
in Abhängigkeit
eines Solldrehmoments und einer Motordrehzahl ermittelt werden.
Anstelle von Zuordnungsfunktionen können auch Kennfelder und/oder
Kennlinien zur Ermittlung der Betriebsparameter herangezogen werden.
Die Verwendung von einfachen Zuordnungsfunktionen anstelle eines Modells,
wobei die Zuordnungsfunktionen auch in Form von Kennfeldern oder
Kennlinien ausgedrückt sein
können,
ermöglicht
eine schnelle Ermittlung der Werte der Betriebsparameter. Sie können dadurch, dass
sie für
jeden einzelnen Zündvorgang
ermittelt werden, den instationären
Verhältnissen
der Brennkraftmaschine rasch nachgeführt werden, andererseits ist
der Berechnungsaufwand und der Speicheraufwand für die Bereitstellung der Zuordnungsfunktionen
bzw. Kennlinien und Kennfelder entsprechend eingeschränkt, so
dass keine allzu großen
Anforderungen an die zur Durchführung
der zündsynchronen Ermittlung
der Werte erforderliche Rechenleistung gestellt werden.
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Gemäß bevorzugter
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Vorliegen eines
instationären
Zustandes als beendet angesehen wird, wenn eine bestimmte, vorgegebene
Anzahl von Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine seit Beginn des instationären Zustandes
stattgefunden hat. Dies ist eine einfache Maßnahme zur Bestimmung der Dauer des
Vorliegens eines instationären
Zustandes. Die vorgegebene Anzahl kann dabei in Abhängigkeit
der Art des instationären
Zustandes erfolgen. Es erspart jedoch eine Überwachung, ob das Vorliegen
des instationären
Zustandes beendet wurde. Dabei kann die Anzahl von Arbeitsspielen
auch aufgrund von Informationen über
die Entwicklung und das Zeitverhalten des instationären Zustandes
beispielsweise aus konstruktiven Gegebenheiten ermittelt sein. Es
kann für
die Umschaltvorgänge
der Steuerventile einer Brennkraftmaschine bekannt sein, wie viele
Arbeitsspiele benötigt
werden, bis alle Brennkammern einer Brennkraftmaschine umgestellt
sind und sich wieder stabile Strömungsverhältnisse
der Luftansaugung eingestellt haben. Es entspricht bevorzugter Ausgestaltung,
wenn die vorgegebene Anzahl von Arbeitsspielen einem Vielfachen
der Anzahl von Brennkammern der Brennkraftmaschine entspricht. Die
Anzahl der Arbeitsspiele wird damit ein Vielfaches der Zündzyklen
der Brennkraftmaschine betragen und es ist die gleiche Anzahl von
Arbeitsspielen für
jede der Brennkammern einem instationären Zustand zugerechnet. Dies
sorgt in günstiger
Weise für
einen gleichmäßigen Betrieb
aller Brennkammern der Brennkraftmaschine.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf den Beginn eines
instationären
Zustandes geschlossen, wenn im Betrieb der Brennkraftmaschine ein
Umschaltvorgang eingeleitet wird. Das Vorliegen eines Umschaltvorganges
in der Brennkraftmaschine ist in günstiger Weise über entsprechende
Signale erfassbar, da in einer Steuereinrichtung der Zeitpunkt festgelegt
werden muss, wann ein solcher Umschaltvorgang stattfindet. Sobald
ein solches Signal vorliegt ist bekannt, dass ein instationärer Zustand
eintreten wird und auf die entsprechende zündsynchrone Ermittlung der
Werte für
Betriebsparameter kann umgeschaltet werden.
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Im Übrigen ist
die Erfindung nachfolgend auch anhand des in der einzigen Figur
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei
zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung das Flussdiagramm
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß dem Schritt 501 des
Verfahrens erfolgt die Ermittlung des zweiten Teils der Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
des ersten Teils von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und
aufgrund der Verwendung eines Modells, welches den stationären Zustand
der Brennkraftmaschine vorsieht, wobei die Ermittlung beispielsweise
so erfolgt, dass die Brennkraftmaschine ein Solldrehmoment erzeugt.
Gemäß dem Schritt 502 des
Verfahrens wird überprüft, ob ein
instationärer
Zustand vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so wird zum Schritt 501 zurückgesprungen
und das stationäre
Modell wird zur Bestimmung des zweiten Teils der Betriebsparameter
weiterverwendet.
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Im
Schritt 502 wird beispielsweise dann auf das Vorliegen
eines instationären
Zustandes geschlossen, wenn der Beginn eines Umschaltvorganges einer
Nockenwellenverstelleinrichtung oder des Verwendens einer anderen
Einspritzweise des Kraftstoffes bei einer Kraftstoffdirekteinspritzung
vorliegt. In diesem Fall wird dann zum Schritt 503 gesprungen.
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Es
wird die modellbasierte Ermittlung der Betriebsparameter und die
Regelung im Sinne des Erzeugens eines Solldrehmoments aufgegeben.
Die Größen für die Betriebsparameter
werden nun gemäß dem Schritt 503 aus
Parametersätzen
ermittelt, wobei die Parametersätze
auch in Abhängigkeit
der Anzahl der seit dem Beginn des instationären Zustandes erfolgten Arbeitsspiele
erfolgen kann. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise deshalb
dar, weil die Parametersätze
für die
instationären
Vorgänge
beispielsweise vorab berechnet sein können und zwar unter Verwendung
eines Modells, das den instationären
Zustand mitsimulieren kann. Die Parametersätze können dann beispielsweise in Form
von Kennlinien und Kennfeldern abgespeichert sein, so dass während eines
instationären
Vorgangs diese Werte nicht mehr ermittelt werden. Diese Werte sind
insbesondere vorab berechnet oder experimentell für die Brennkraftmaschine
ermittelt und somit als feststehender Datensatz abgespeichert und
bedürfen
keiner besonderen Berechnung mehr.
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Nach
dem Ermitteln eines Parametersatzes wird gemäß dem Schritt 504 überprüft, ob eine
bestimmte Anzahl von Arbeitsspielen seit dem Beginn des instationären Zustandes
erfolgt ist. Ist dies nicht der Fall, so wird zum Schritt 503 zurückgesprungen und
der nächste
Satz der Größen für die Betriebsparameter
aus einem Parametersatz ermittelt. Andernfalls wird im Schritt 504 darauf
geschlossen, dass kein instationärer
Zustand mehr vorliegt und es kann zum Schritt 505 gesprungen
werden.
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Gemäß dem Schritt 505 des
Verfahrens, welcher im Wesentlichen dem Schritt 501 des
Verfahrens entspricht, erfolgt wiederum eine modellbasierte Ermittlung
der Größen für den zweiten
Teil der Betriebsparameter aufgrund der vorliegenden Größen für den ersten
Teil der Betriebsparameter. Dabei kann sich das Modell von dem Modell
gemäß dem Schritt 501 nur
hinsichtlich der Größen der
ersten Betriebsparameter oder aber auch hinsichtlich des zu verwendenden
Modells an sich unterscheiden, eine Unterscheidung muss aber nicht
zwangsläufig
gegeben sein. Dies ist abhängig
davon, inwieweit sich der Betrieb der Brennkraftmaschine während des
instationären
Zustandes verändert
hat und ob die dabei stattfindenden Veränderungen nur Größen des
ersten Teils der Betriebsparameter betreffen oder aber auch andere
Verhaltensweisen, die eine Anpassung des Modells erfordern. Entsprechend
der Vorgehensweise in Schritt 502 wird nachfolgend im Schritt 506 überprüft, ob ein
instationärer
Zustand vorliegt und dann, wenn dies nicht der Fall ist, wiederum
zur weiteren Verwendung des Modells zum Schritt 505 zurückgesprungen.
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Wird
im Schritt 506 erkannt, dass ein instationärer Zustand
vorliegt, so wird zum Schritt 507 gesprungen und die Bestimmung
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine erfolgt wiederum entsprechend
der Vorgehensweise in Schritt 503 des Verfahrens in zündsynchroner
Weise ohne Verwendung eines Modells. Entsprechend der Vorgehensweise
in Schritt 504 wird gemäß dem Schritt 508 überprüft, ob seit
dem Beginn des instationären
Zustandes eine bestimmte Anzahl von Arbeitsspielen vorliegt. Ist
dies nicht der Fall, so wird zum Schritt 507 zurückgesprungen,
andernfalls wird zum Schritt 501 des Verfahrens gesprungen
und das im Schritt 501 des Verfahrens verwendete Modell
wiederum verwendet.
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Es
handelt sich bei der Vorgehensweise also um ein Schaltverfahren
in zwei Richtungen, wobei jeweils aus dem Betrieb, der durch das
eine Modell beschrieben wird, in den Betrieb der Brennkraftmaschine
gemäß dem anderen
Modell umgeschaltet wird. Dies ist beispielsweise dann gegeben,
wenn eine Nockenwellenverstelleinrichtung vorhanden ist, die zwei voneinander
verschiedene Betriebsweisen der Steuerventile der Brennkraftmaschine
ermöglicht,
wobei alternativ eine der beiden Betriebsweisen der Steuerventile
Verwendung findet.