DE10028698A1 - Verfahren zum Bestimmen einer jeweiligen Betriebsstellung einer Drosselklappe eines Otto-Motors, und entsprechendes Motorsteuergerät - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen einer jeweiligen Betriebsstellung einer Drosselklappe eines Otto-Motors, und entsprechendes Motorsteuergerät

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Abstract

Das Verfahren dient zur Bestimmung einer jeweiligen Betriebsstellung einer Drosselklappe eines Otto-Motors. Hierbei ist vorgesehen, dass eine relative Querschnittsänderung (A'¶DK¶) der Drosselklappe (DK) in einem jeweiligen Arbeitspunkt mittels einer Regressionsrechnung bestimmt wird. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft zur Durchführung einer verhältnismäßig genauen Onboard-Diagnose.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer jeweiligen Betriebsstellung ei­ ner Drosselklappe eines Otto-Motors, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechend ausgebildetes Motorsteuergerät.
Es ist bekannt, im Rahmen einer gesetzlich vorgeschriebenen Onboard-Diagnose eine Drosselklappe und ein Heißfilm-Luftmassenmesser eines Otto-Motors auf Einhaltung ihrer Bauteilspezifikation zu überwachen. Dabei dient die Drosselklappe zur Einstellung der vom Otto-Motor angesaugten Luftmasse und somit zur Last- und Leistungseinstellung des Otto-Motors. Die Drosselklappe ist vor einem Saugrohr des Otto-Motors angebracht und besteht aus einem kurzen Rohr, dessen Querschnitt mit einer drehbar gelagerten Klappe veränderbar ist. Die jeweilige Winkellage beziehungsweise Betriebsstellung der Klappe ist mittels eines verhältnismäßig grob tolerierten Potentiometers erfassbar. Dage­ gen ist der Heißfilm-Luftmassenmesser ein Sensor zur Erfassung der vom Otto-Motor angesaugten Luftmasse. Er liefert ein entsprechendes Signal, das zur Lasterfassung und zur Berechnung der in den Verbrennungsraum des Otto-Motors einzuspritzenden Kraft­ stoffmenge herangezogen wird. Der Heißfilm-Luftmassenmesser ist zwischen einem Luftfilter und der Drosselklappe des Otto-Motors angeordnet. Die Genauigkeit des Si­ gnals des Heißfilm-Luftmassenmessers ist maßgebend für die erzielbare Abgasqualität des Otto-Motors und somit für die Einhaltung von gesetzlich vorgeschriebenen Abgas­ grenzwerten.
Eine Überwachung des Heißfilm-Luftmassenmessers und der Drosselklappe eines Otto- Motors erfolgt bei bekannten Diagnoseverfahren in ungenauer und somit nicht zufrieden­ stellender Weise. Dies ist darauf zurückzuführen, dass zur Überwachung des Heißfilm- Luftmassenmessers der genaue Betriebswinkel der Drosselklappe bekannt sein muss. Ferner wird für die Überwachung der Drosselklappe der genaue Betriebswert des Luft­ massenstroms benötigt. Dabei werden die Betriebswerte des Luftmassenstroms durch die meist nicht exakt bekannte Lufttemperatur und Luftdichte während des Betreibens des Otto-Motors beeinflusst.
Eine gesetzlich vorgeschriebene Onboard-Diagnose beispielsweise des Heißfilm-Luft­ massenmessers eines Otto-Motors erfolgt in bekannter Weise derart, dass ein Vergleich eines Signals des Heißfilm-Luftmassenmessers mit einem Modellwert erfolgt, welcher aus der jeweiligen Motordrehzahl und Drosselklappenposition berechnet wird. Da die vom Otto-Motor angesaugte Luftmasse - wie bereits oben erwähnt - außer von der variablen Drosselklappen-Position auch von der jeweils vorliegenden Lufttemperatur und der Luft­ dichte abhängt, welche am Otto-Motor nur sehr grob bestimmbar sind, ist auch der be­ rechnete Modellwert verhältnismäßig ungenau. Es können daher lediglich grobe Fehler des Heißfilm-Luftmassenmessers mittels eines derartigen Onboard-Diagnoseverfahrens erkannt werden. Eine entsprechende Überwachung der Drosselklappen-Position erfolgt mittels einer sogenannten "Plausibilisierung" des Drosselklappen-Signals mit dem Heiß­ film-Luftmassen-messer-Signal. Auch im Rahmen der bekannten Drosselklappen- Überwachung ist aus den gleichen Gründen lediglich eine grobe Fehlererkennung mög­ lich. Dabei liefert das die Winkellage der Drosselklappe erfassende Potentiometer nach­ teilhafterweise Signale mit verhältnismäßig großen Toleranzen, da die Messgenauigkeit des Potentiometers von fertigungstechnischen Randbedingungen und von der Betrieb­ stemperatur abhängt. Somit führen die gegenseitige Abhängigkeit der Diagnosefunktio­ nen für die Drosselklappe und den Heißfilm-Luftmassenmesser, die Bauteiltoleranzen und der Temperatur- beziehungsweise Luftdichteeinfluss zu einem unsicheren bezie­ hungsweise ungenauen Diagnoseergebnis. Ferner ist für eine Reihe von Fehlerfällen eine genaue Angabe des fehlerhaften Bauteils (Drosselklappe oder Heißfilm-Luftmassen­ messer) nicht möglich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein entsprechendes Motorsteuergerät der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine genaue und zuverlässige Bestimmung des jeweils eingestellten Drosselklappenwinkels eines Otto-Motors ermöglichen und so­ mit eine genaue Diagnose der Drosselklappe und des Heißfilm-Luftmassenmessers des Otto-Motors zulassen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorge­ schlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass eine relative Querschnittsänderung der Drosselklappe in einem jeweiligen Arbeitspunkt mittels einer Regressionsrechnung be­ stimmt wird. Die Regressionsrechnung ist in der Messtechnik an sich bereits bekannt und dient zur Bestimmung einer Näherungskurve y = f(x) aus einer gegebenen Anzahl von Messpunkten für die Eingangsgrößen x und y. Die relative Querschnittsänderung der Drosselklappe ist eine bauteilspezifische Größe und im Gegensatz zum Luftmassenstrom nicht von der Luftdichte und der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit abhängig, sondern lediglich vom Drosselklappen-Winkel und dem dort wirksamen Drosselklappen- Querschnitt. Es ist somit möglich, eine verhältnismäßig genaue Fehlerdiagnose in Bezug auf die Drosselklappe und den Heißfilm-Luftmassenmesser eines Otto-Motors unabhän­ gig von der jeweils vorliegenden Luftdichte, Lufttemperatur sowie Luftdruck durchzufüh­ ren.
Mit Vorteil wird ein eine Änderung eines Luftmassenstroms in Abhängigkeit einer Ände­ rung eines Betriebswinkels der Drosselklappe in einem jeweiligen Arbeitspunkt definie­ render Gradient mittels der Regressionsrechnung bestimmt und aus dem Gradienten mittels Normierung mit dem Luftmassenstrom die relative Querschnittsänderung der Drosselklappe mit dem jeweiligen Arbeitspunkt ermittelt. Aufgrund der Normierung des mittels der Regressionsrechnung bestimmten Gradienten mit dem Luftmassenstrom ist die derart ermittelte relative Querschnittsänderung der Drosselklappe nicht von der je­ weils vorliegenden Luftdichte, Luftdruck, Lufttemperatur und der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit abhängig.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die ermittelten Werte der relati­ ven Querschnittsänderung der Drosselklappe zur Erstellung einer bauteilspezifischen Drosselklappenkennlinie herangezogen. Eine bauteilspezifische Kennlinie kann in be­ triebsgünstiger Weise für die Drosselklappe und/oder für den Heißfilm-Luftmassenmesser in einem Motorsteuergerät abgelegt werden, wobei derartige Kennlinien verhältnismäßig genaue Modellwerte zur Durchführung einer Diagnose liefern. Dabei kann die während des Betriebs des Otto-Motors ermittelte relative Querschnittsänderung zur Korrektur oder Adaption der im Motorstellgerät abgelegten bauteilspezifischen Kennlinien für die Dros­ selklappe und/oder den Heißfilm-Luftmassenmesser herangezogen werden. Da aufgrund einer derartigen Kennlinienkorrektur gröber tolerierte Bauteile verwendet werden können, ist eine Senkung von Bauteilkosten der Drosselklappe und/oder des Heißfilm-Luft­ massenmessers möglich, oder es kann eine Steigerung der Lebensdauer dieser Bauteile erzielt werden, da altersbedingte Kennlinienänderungen kompensierbar sind.
Vorzugsweise ist der jeweilige Arbeitspunkt ein Leerlauf-Arbeitspunkt des Otto-Motors. Im Leerlauf herrscht an der Drosselklappe eines Saugrohreinspritzmotors ein überkritisches Druckverhältnis, so dass die Luft mit Schallgeschwindigkeit die Drosselklappe passiert. In diesem Betriebszustand ist der Luftmassenstrom abhängig von der Querschnittsfläche der Drosselklappe, von der Luftdichte und von der Schallgeschwindigkeit, welche wieder­ um von der Lufttemperatur abhängig ist. Wird der überkritische Bereich verlassen, ist der Luftmassenstrom durch die Drosselklappe zusätzlich vom Saugrohrdruck abhängig, wel­ cher entweder gemessen oder über ein Saugrohrmodell rechnerisch aus dem Luft­ massenstrom bestimmt werden muss. Ein Leerlaufbetrieb des Otto-Motors eignet sich somit besonders zu einer relativ genauen Messdatenerfassung. Es sind allerdings auch andere Last- und Drehzahlbereiche zu einer verhältnismäßig genauen Messdatenerfas­ sung heranziehbar, solange an der Drosselklappe überkritische Strömungsverhältnisse vorliegen. Beispielsweise kann eine derartige Messdatenerfassung auch in einem Teil­ lastbereich oder im Schubbetrieb eines Otto-Motors erfolgen.
Mit Vorteil wird die Änderung des Luftmassenstroms mittels eines Heißfilm-Luftmassen­ messers und die Änderung des jeweiligen Betriebswinkels der Drosselklappe mittels ei­ nes mit selbiger verbundenen Potentiometers ermittelt. Mittels dieser Messmittel kann eine Messdatenerfassung zur Durchführung einer Onboard-Diagnose der Drosselklappe und des Heißfilm-Luftmassenmessers eines Otto-Motors mittels einer Regressionsrech­ nung und einer Korrelationsrechnung erfolgen. Zur Messdatenerfassung wird vorzugs­ weise im Leerlauf des Otto-Motors jeweils eine Betriebsspannung durch das Potentio­ meter der Drosselklappe und durch den Heißfilm-Luftmassenmesser ermittelt. Wie oben erwähnt, liegt eine Korrelation zwischen den zwei zu diagnostizierenden Bauteilen vor.
Gemäß einer möglichen Ausführungsvariante wird zur Ermittlung einer Änderung eines Luftmassenstroms in Abhängigkeit einer Änderung eines Betriebswinkels der Drossel­ klappe in einem jeweiligen Arbeitspunkt eine aktive Änderung des Betriebswinkels mittels Überlagerung eines Testmusters herbeigeführt. Hierbei wird einer Drosselklappenstellung in einem Arbeitspunkt ein Testmuster überlagert, wobei während einer derartigen Test­ musterüberlagerung Messsignale zeitlich äquidistant erfasst werden. Da mittels der Re­ gressionsrechnung eine Steigung einer Kennlinie in einem Arbeitspunkt bestimmt wird, ist es zu einer zuverlässigen und genauen Messdatenerfassung notwendig beziehungs­ weise sinnvoll, dass die Messsignale in einem verhältnismäßig kleinen, aber gleichzeitig auch ausreichend großen Bereich um den jeweiligen Arbeitspunkt variieren. Wenn der Bereich zu klein ist, werden lediglich konstante Messdaten erfasst, so dass die Regressi­ onsrechnung kein sinnvolles Ergebnis liefern kann. Bei einem zu großen Bereich ergeben sich bei nicht linearen Bauteilen, wie beispielsweise der Drosselklappe, Ungenauigkeiten hinsichtlich der Messdatenerfassung.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante wird zur Ermittlung einer Änderung eines Luftmassenstroms in Abhängigkeit einer Änderung des Betriebswinkels der Drossel­ klappe in einem jeweiligen Arbeitspunkt eine passive Änderung des Betriebswinkels in Form einer Drosselklappen-Eigenbewegung herangezogen. Dies ist möglich, wenn das System genügend große Drosselklappen-Eigenbewegungen aufweist, wobei die Mess­ daten nicht kontinuierlich, sondern lediglich zu geeigneten Zeitpunkten aufgezeichnet werden. Es handelt sich hier um eine lediglich "beobachtende", passive Methode, bei welcher eine bereits vorhandene Variation der jeweiligen Drosselklappenposition bei­ spielsweise mittels einer Leerlaufregelung ausgenutzt wird. Die Datenabspeicherung er­ folgt dann ebenfalls zündsynchron, jedoch nicht nach jeder Zündung, sondern lediglich bei Feststellung einer geeigneten Signalveränderung. Ferner sind auch Mischformen zwi­ schen einer aktiven und passiven Datenerfassungmethode möglich. Beispielsweise kann eine Variation der Drosselklappen-Position durch die Leerlaufregelung mittels geeigneter Zündwinkeleingriffe kurzzeitig und ohne für eine Person registrierbare Beeinträchtigung der Leerlaufqualität vergrößert werden.
Mit Vorteil erfolgt eine Aufzeichnung von Messdaten hinsichtlich einer Änderung des Luftmassenstroms in Abhängigkeit einer Änderung eines Betriebswinkels der Drossel­ klappe zeitsynchron oder kurbelwinkelsynchron oder zündsynchron. Bei einer zeitsyn­ chronen Aufzeichnung ergeben sich konstante Zeitdifferenzen zwischen den Abtastzeit­ punkten, während eine kurbelwinkelsynchrone Aufzeichnung auf konstanten Kurbelwin­ keldifferenzen basiert. Eine zündsynchrone Aufzeichnung hingegen erfolgt nach jeder Zündung. Ferner ist auch eine nicht äquidistante, an komplexere Bedingungen geknüpfte Aufzeichnung möglich, wie zum Beispiel für den Fall, dass der erfasste Messwert ausrei­ chend weit vom letzten abgespeicherten Messwert entfernt ist.
Vorzugsweise werden die Messdaten hinsichtlich einer Änderung eines Luftmassen­ stroms und hinsichtlich einer Änderung eines Betriebswinkels der Drosselklappe wenig­ stens nahezu gleichzeitig erfasst. Die wenigstens nahezu gleichzeitige Erfassung dieser Messdaten kann beispielsweise mit einer Zeitdifferenz im Bereich von wenigen Mikrose­ kunden behaftet sein. Dabei handelt es sich bei den Messdaten um eine vom Potentio­ meter gemessene Spannung entsprechend einer Änderung eines Betriebswinkels der Drosselklappe und um eine vom Heißfilm-Luftmassenmesser gemessene Spannung ent­ sprechend einer Änderung eines sich einstellenden Luftmassenstroms.
Eine gegebenenfalls vorliegende zeitliche Verschiebung der Messdaten hinsichtlich einer Änderung eines Luftmassenstroms und hinsichtlich einer Änderung eines Betriebswinkels der Drosselklappe wird kompensiert oder berücksichtigt. Da diese beiden Messdaten Eingangssignale für die Regressionsrechnung sind, sind zur Durchführung einer genauen Onboard-Diagnose eventuelle zeitliche Verschiebungen zwischen den beiden Eingangs­ signalen zu kompensieren beziehungsweise zu berücksichtigen.
Mit Vorteil wird die Regressionsrechnung parallel oder nach Abschluss der Messdaten­ erfassung durchgeführt. Die Regressionsrechnung kann somit in flexibler Weise, das heißt zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt werden.
Vorzugsweise werden vor Beginn der Messdatenerfassung die Erfüllung wenigstens fol­ gender Randbedingungen überprüft:
  • - stationärer Endwert der Leerlaufdrehzahl;
  • - stabiler Leerlaufbetrieb;
  • - keine externen Störungen des Luftmassenstroms, der Drosselklappen-Stellung und des Saugrohrdrucks;
  • - keine Verbrennungsaussetzer;
  • - ausreichend niedriger Saugrohrdruck unter Ausbildung einer überkritischen Luftströ­ mung.
Unter stabilem Leerlauf wird verstanden, dass die Leerlaufdrehzahl innerhalb eines be­ stimmten Bereichs liegt. Externe Störungen können beispielsweise durch Bremsen, Kup­ peln, Schalten, durch eine Lenkung am Anschlag, eine Klimaanlage oder durch Ein­ schalten elektrischer Verbraucher verursacht werden. Bei Erfüllung dieser und gegebe­ nenfalls weiterer Randbedingungen kann eine ausreichende Genauigkeit bei der Mess­ datenerfassung erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist die Fehlerdiagnose Teil einer Onboard-Diagnose. Mittels einer Re­ gressionsrechnung zur Ermittlung einer relativen Querschnittsänderung der Drosselklap­ pe in einem jeweiligen Arbeitspunkt ist in besonders betriebsgünstiger Weise eine On- board-Diagnose der Drosselklappe und/oder des Heißfilm-Luftmassenmessers eines Ot­ to-Motors durchführbar, da ihre Ergebnisse vom Luftdruck und von der Lufttemperatur während des Betriebs des Otto-Motors unabhängig sind.
Gemäß einer möglichen Ausführungsvariante erfolgt eine Überwachung eines Luftdichte­ sensors und/oder eines Luftdrucksensors. Im fehlerfreien Zustand der Drosselklappe und des Heißfilm-Luftmassenmessers kann die mittels der Regressionsrechnung ermittelte relative Querschnittsänderung im Arbeitspunkt auch dazu herangezogen werden, die jeweils vorliegende Luftdichte der Umgebungsluft und damit die entsprechende Höhe des Messpunktes über dem Meeresspiegel zu bestimmen. In dieser Weise ist es möglich, einen gegebenenfalls vorhandenen Luftdichtesensor oder Luftdrucksensor zu überwa­ chen.
Der Otto-Motor kann ein Otto-Motor mit Saugrohreinspritzung oder mit Kraftstoff-Direkt­ einspritzung sein. Das Verfahren kann somit in zuverlässiger und betriebsgünstiger Wei­ se in unterschiedlich ausgebildeten Otto-Motoren angewandt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil mittels eines Motorsteuergeräts durchgeführt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Otto-Motors mit Saugrohr, Drossel­ klappe, Heißfilm-Luftmassenmesser und Drosselklappen-Ansteuerung und
Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung von Möglichkeiten der Bewertung eines Ergebnisses der Regressionsrechnung.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein allgemein mit 10 bezeichneter Otto-Motor dargestellt, dessen Zylinder 44 eingangsseitig in Luftströmungsrichtung gemäß Pfeil 45 mit einem Luftfilter 11, einem Heißfilm-Luftmassenmesser 12 (HFM), einer Luftzuführlei­ tung 13, einer Drosselklappe 14 (DK) und einem Saugrohr 17 in an sich bekannter Weise wirkverbunden sind. Abgasseitig führt von den Zylindern 44 eine Abgasleitung 18 zu weiteren, nicht dargestellten Funktionseinheiten eines Fahrzeugs. Eine Lambda-Sonde 15 steht mit der Abgasleitung 18 in Wirkverbindung. Jedem der im vorliegenden Fall vier Zylinder 44 ist eine Einspritzdüse 46 zugeordnet. Ein allgemein mit 16 bezeichnetes Steuergerät ist mit dem Heißfilm-Luftmassenmesser 12, der Drosselklappe 14, einem Potentiometer 35, welcher zur Erfassung einer Betriebswinkellage der Drosselklappe vorgesehen ist, sowie mit den Einspritzdüsen 46 und mit der Lambda-Sonde 15 wirkver­ bunden. Der Heißfilm-Luftmassenmesser 12 ermittelt die vom Otto-Motor 10 angesaugte Luftmasse und übermittelt mittels einer Datenübertragungsleitung 19 ein entsprechendes Messsignal (Spannung) an eine Kennlinienumrechnungseinheit 47. Die Kennlinienum­ rechnungseinheit 47 übermittelt mittels einer Datenübertragungsleitung 20 ein entspre­ chendes Signal (Luftmassenstrom mL') an eine Ti-Vorsteuerungseinheit 21, welche ein entsprechendes Signal (Einspritzdauer) mittels der Datenübertragungsleitung 22, des Verknüpfungspunkts 23 und der Datenübertragungsleitung 24 an die Einspritzdüsen 46 übermittelt. Ein von der Lambda-Sonde 15 mittels einer Datenübertragungsleitung 24 an einen Verknüpfungspunkt 26 übermitteltes Lambda-Signal wird nach Verknüpfung mit einem Lambda-Sollwert (Pfeil 27) mittels einer Datenübertragungsleitung 28 an eine Lambda-Korrektureinheit 29 übermittelt. Von der Lambda-Korrektureinheit 29 wird ein entsprechendes Signal mittels einer Datenübertragungsleitung 30 an den Verknüpfungs­ punkt 23 übertragen. Das Potentiometer 35 überträgt mittels einer Datenübertragungs­ leitung 31 ein die jeweilige Winkellage (Iststellung) der Drosselklappe 14 kennzeichnen­ des Signal an einen Verknüpfungspunkt 32, an welchem eine Verknüpfung mit einem Drosselklappen-Notluftsignal (Pfeil 33) erfolgt. Mittels einer Datenübertragungsleitung 34 wird ein entsprechendes Drosselklappen-Signal (Ist-Wert) an einen Verknüpfungspunkt 36 übermittelt, an welchem eine Verknüpfung mit einem Drosselklappen-Sollwert (Pfeil 37) erfolgt. Ein entsprechendes Drosselklappen-Ausgangssignal wird mittels einer Da­ tenübertragungsleitung 38 an eine Lagereglereinheit 39 übermittelt, welche ausgangssei­ tig mittels einer Datenübertragungsleitung 40 mit einem Verknüpfungspunkt 41 wirkver­ bunden ist. Am Verknüpfungspunkt 41 erfolgt wahlweise eine Verknüpfung eines Aus­ gangssignals der Lagereglereinheit 39 mit einem Testmuster (Pfeil 43). Ein entsprechen­ des, wahlweise zu überlagerndes Testmuster-Signal kann vom Verknüpfungspunkt 41 mittels der Datenübertragungsleitung 42 an die Drosselklappe 14 übertragen werden. Eine Schaltereinheit 48 gewährleistet, dass bei unterbrochener Testmuster-Daten­ übertragungsleitung (Pfeil 43) die Datenübertragungsleitung 38 geschlossen ist und somit eine Datenübertragung an die Lagereglereinheit 39 ermöglicht, während bei geschlosse­ ner Testmuster-Datenübertragungsleitung (Pfeil 43) die Datenübertragungsleitung 38 unterbrochen ist.
Bei der Überlagerung eines Testmusters (Pfeil 43) handelt es sich um eine aktive Da­ tenerfassungsmethode, bei welcher einer Drosselklappenansteuerung im Leerlauf des Otto-Motors 10 ein Testmuster beispielsweise von circa 5 Sekunden Länge und kleiner Amplitude überlagert wird. Die Amplitude ist derart gering, dass keine von einer Person erkennbare Veränderung des Motorlaufs des Otto-Motors 10 auftritt. Die Messdaten, mit welchen eine Regressionsrechnung durchgeführt werden soll, werden mittels des Heiß­ film-Luftmassenmessers 12 und des Potentiometers 35 zündsynchron nach jeder Zün­ dung im Otto-Motor 10 erfasst.
Eine an sich in der Messtechnik bekannte Regressionsrechnung dient zur Bestimmung einer Näherungskurve y = f(x) aus einer gegebenen Anzahl von Messpunkten für die Ein­ gangsgrößen x und y der Näherungskurve. Ergebnis der Regressionsrechnung sind die Parameter der Näherungskurve, das heißt zum Beispiel bei einer Geraden y = ax + b die Steigung a (Regressionsfaktor) und der Offset b. Als Kurventypen kommen Geraden, logarithmische Kurven, Exponentialfunktionen und Polynome in Frage. Als Kontrollwert für die Qualität der Näherung wird der Korrelationsfaktor r herangezogen. Sein Wert kann zwischen 0 und 1 liegen. Der Idealwert 1 besagt, dass alle Messpunkte auf der errech­ neten Näherungskurve y = f(x) liegen. Der Berechnungsweg ergibt sich aus folgenden Gleichungen:
Korrelationsfaktor: r = √B mit:
Dabei wird der Korrelationsfaktor r auch als Korrelationskoeffizient bezeichnet, während bxy und byx zwei Regressionsfaktoren sind, mit bxy entsprechend der Steigung dx/dy und byx entsprechend der Steigung dy/dx. Die Parameter xi und yi mit i von 1 bis N sind Wer­ tepaare einer Eingangsdatenreihe.
Im Anwendungsbeispiel wird vorzugsweise im Leerlauf des Otto-Motors 10 eine mittels des Potentiometers 35 ermittelte Spannung UDK (entsprechend dem jeweiligen Drossel­ klappenwinkel) und eine mittels des Heißfilm-Luftmassenmessers 12 ermittelte Spannung UHFM (entsprechend der vom Otto-Motor 10 angesaugten Luftmasse) zu einer Regressi­ onsrechnung herangezogen. Die Regressionsrechnung liefert als Ergebnis das Verhältnis dUHFM/dUDK, das dem Gradienten grad(m'L, αDK) = dm'L/d αDK entspricht. Der Gradient entspricht einer Änderung eines Luftmassenstroms mL in Abhängigkeit eines Drossel­ klappenwinkels αDK in einem Arbeitspunkt. Im Leerlauf herrscht an der Drosselklappe 14 bei einem Otto-Motor mit Saugrohreinspritzung (nicht jedoch bei einem Otto-Motor mit Direkteinspritzung) ein überkritisches Druckverhältnis, so dass die angesaugte Luft mit Schallgeschwindigkeit die Drosselklappe 14 passiert. In diesem Zustand ist der Luft­ massenstrom m'L abhängig von der Querschnittsfläche ADK, der Luftdichte ρ und Schall­ geschwindigkeit c, die wiederum von der Lufttemperatur θ abhängt. Dieser Zusammen­ hang ist in der folgenden Gleichung definiert:
mL' = ADK.ρ.c mit c = (θ)
Mit dieser Gleichung kann aus dem mittels der Regressionsrechnung gewonnenen Gra­ dienten grad(m'L, αDK) durch Normierung mit m'L eine relative Querschnittsänderung der Drosselklappe A'DK entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Hierbei handelt es sich um eine bauteilspezifische Kennlinie, welche im Gegensatz zu m'L nicht von der Luftdichte ρ und der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit c abhän­ gig ist, sondern lediglich vom jeweiligen Arbeitspunkt (Drosselklappenwinkel αDK) und dem dort wirksamen Drosselklappen-Querschnitt ADK. Diese bauteilspezifische Kennlinie der relativen Querschnittsänderung A'DK wird somit mittels der Regressionsrechnung vor­ zugsweise im Leerlauf des Otto-Motors 10 aus den Messsignalen UDK und UHFM mit guter Genauigkeit bestimmt.
Bei einer Testmusterüberlagerung und während einer Messdatenerfassung sollten ver­ schiedene Randbedingungen erfüllt sein, wie zum Beispiel, dass die Leerlaufregelung auf eine stationäre Leerlaufdrehzahl eingeschwungen und stabil ist, keine externen Störun­ gen durch Bremsen, eine Lenkhilfepumpe, eine Klimaanlage oder durch Einschalten elektrischer Verbraucher vorliegen, dass keine Verbrennungsaussetzer oder andere Fehler auftreten oder dass der Saugrohrdruck ausreichend niedrig ist. Wenn diese oder gegebenenfalls weitere Randbedingungen erfüllt sind, wird der Luftpfad der Leerlaufre­ gelung eingefroren. Ein Testmuster mit definierten Eigenschaften (digital, geeignete Am­ plitude, geeignete Impulslänge und -anzahl) der Drosselklappenansteuerung überlagert. Gleichzeitig werden das Messsignal UDK, welches dem Drosselklappen-Ist-Winkel ent­ spricht, und das Messsignal UHFM, welches der angesaugten Luftmasse mL entspricht, nach jeder Zündung gemessen und in einem Ringpuffer abgespeichert. Dabei kann die Regressionsrechnung parallel oder nach Beendigung der Messdatenerfassung (Beendi­ gung der Testmusterüberlagerung) durchgeführt werden. Die Messdatenpaare UDKi und UHFMi sind vorzugsweise nahezu gleichzeitig zu erfassen, wobei bei der Regressions­ rechnung berücksichtigt und gegebenenfalls kompensiert werden muss, dass die Mess­ datenpaare zeitliche Verschiebungen, zum Beispiel aufgrund von Totzeiteffekten aufwei­ sen können. Vorteilhafterweise ist der Einfluss der Drosselklappenbewegungen aufgrund einer Testmusterüberlagerung auf die Motordrehzahl und den Zündwinkel derart gering, dass er praktisch nicht von einer Person erkennbar ist. Auch sind akustische Verände­ rungen oder eine Beeinflussung der Karosserieschwingungen eines Fahrzeugs aufgrund einer Testmusterüberlagerung praktisch nicht registrierbar.
Fig. 2 zeigt anhand eines Diagramms eine Übersicht über erkennbare Fehlerarten, die anhand eines ermittelten Regressions- und Korrelationsfaktors unter Zuhilfenahme einer Lambda-Korrektur ermittelt werden können. Die relative Querschnittsänderung A'DK = f(αDK) ist in Fig. 2 als "rel dA/A" bezeichnet. Neben Fehlern am Heißfilm-Luftmassen­ messer (HFM) und an der Drosselklappe (DK) können Fehler in Form von Leckluft vor und hinter der Drosselklappe diagnostiziert werden. Unter Zuhilfenahme einer Lambda- Regelungsadaption können die Ursachen für Fehler oder Abweichungen im Kraftstoffver­ sorgungssystem genauer abgegrenzt werden, das heißt, es kann beispielsweise eine Fehlerquelle am Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM) oder an der Drosselklappe (DK) ausgeschlossen werden. Es lassen sich somit vorteilhafterweise nicht nur eine Bauteil­ gruppe, sondern exakt das defekte Bauteil und dessen Fehlerart bestimmen. Ferner kann im fehlerfreien Zustand die Luftdichte der Umgebungsluft und damit die Höhe des Mess­ punkts über dem Meeresspiegel ermittelt werden. Diese Informationen können zur Über­ wachung eines Umgebungsdruckssensors oder zu einer Höhenadaption herangezogen werden. Es ist somit möglich, Bauteilfehler anhand von Abweichungen der Regressions­ rechnungsergebnisse von einer entsprechenden, fehlerfreien Referenz-Kennlinie in zu­ verlässiger Weise zu erkennen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Bestimmen einer jeweiligen Betriebsstellung einer Drosselklappe eines Otto-Motors, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Querschnittsände­ rung (A'DK) der Drosselklappe (DK) in einem jeweiligen Arbeitspunkt mittels einer Regressionsrechnung bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Änderung eines Luftmassenstroms (m'L) in Abhängigkeit einer Änderung eines Betriebswin­ kels (αDK) der Drosselklappe (DK) in einem jeweiligen Arbeitspunkt definierender Gradient (m'L, (αDK)) mittels der Regressionsrechnung bestimmt wird und aus dem Gradienten (grad(m'L, αDK)) mittels Normierung mit dem Luftmassenstrom (m'L) die relative Querschnittsänderung (A'DK) im jeweiligen Arbeitspunkt ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Werte der relativen Querschnittsänderung (A'DK) der Drossel­ klappe (DK) zur Erstellung einer bauteilspezifischen Drosselklappenkennlinie her­ angezogen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Arbeitspunkt ein Leerlauf-Arbeitspunkt des Otto-Motors ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Luftmassenstroms (m'L) mittels eines Heißfilm-Luftmassen­ messers (HFM) und die Änderung des jeweiligen Betriebswinkels (αDK) der Drossel­ klappe (DK) mittels eines mit selbiger wirkverbundenen Potentiometers ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Korrelationsrechnung eine Fehlerdiagnose in Bezug auf die Drosselklappe (DK) und den Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer Änderung des Luftmassenstroms (m'L) in Abhängigkeit einer Änderung eines Betriebswinkels (αDK) der Drosselklappe (DK) in einem jewei­ ligen Arbeitspunkt eine aktive Änderung des Betriebswinkels (αDK) mittels Überlage­ rung eines Testmusters herbeigeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer Änderung eines Luftmassenstroms (m'L) in Abhängigkeit einer Änderung eines Betriebswinkels (αDK) der Drosselklappe (DK) in einem jewei­ ligen Arbeitspunkt eine passive Änderung des Betriebswinkels (αDK) in Form einer Drosselklappen-Eigenbewegung herangezogen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Aufzeichnung von Messdaten hinsichtlich einer Änderung eines Luftmassenstroms (m'L) in Abhängigkeit einer Änderung eines Betriebswinkels (αDK) der Drosselklappe (DK) zeitsynchron oder kurbelwinkelsynchron oder zünd­ synchron erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten hinsichtlich einer Änderung eines Luftmassenstroms (m'L) und hinsichtlich einer Änderung eines Betriebswinkels (αDK) der Drosselklappe (DK) wenigstens nahezu gleichzeitig erfasst werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Verschiebung der Messdaten hinsichtlich einer Änderung eines Luftmassenstroms (m'L) und hinsichtlich einer Änderung eines Betriebswinkels (αDK) der Drosselklappe (DK) kompensiert oder berücksichtigt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regressionsrechnung parallel oder nach Abschluss der Messdatenerfas­ sung durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Messdatenerfassung die Erfüllung wenigstens folgender Randbedingungen überprüft werden:
  • - stationärer Endwert der Leerlaufdrehzahl;
  • - stabiler Leerlaufbetrieb;
  • - keine externen Störungen des Luftmassenstroms der Drosselklappen-Stellung und des Saugrohrdrucks;
  • - keine Verbrennungsaussetzer;
  • - ausreichend niedriger Saugrohrdruck unter Ausbildung einer überkritischen Luft­ strömung.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerdiagnose Teil einer Onboard-Diagnose t.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachung eines Luftdichtesensors und/oder eines Luftdrucksensors erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Otto-Motor ein Otto-Motor mit Saugrohreinspritzung oder mit Kraftstoff- Direkteinspritzung ist.
17. Motorsteuergerät, das gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche betreibbar ist.
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