DE10028878A1 - Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem Zylinder - Google Patents
Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem ZylinderInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem Zylinder in mehreren Schritten. Zunächst wird ein Luftmassenstromverlauf in den oder die Zylinder während einer Zeitspanne gemessen, wobei in dieser Zeitspanne unterschiedliche Drehzahlen und/oder Motorbelastungen auftreten. Parallel hierzu wird aus Stell-, Meß- oder Regelgrößen des elektronischen Steuergerätes ein theoretischer Luftmassenstromverlauf während der Zeitspanne geschätzt. Anschließend wird der Differenzverlauf zwischen dem theoretischen Luftmassenstromverlauf und dem gemessenen Luftmassenstromverlauf gebildet. Aus dem Differenzverlauf wird ein effektiver Leckquerschnitt im Saugrohr geschätzt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr
von Verbrennungsmotoren.
Wenn sich bei einer Verbrennungskraftmaschine ein Leck im Saugrohr zwischen
Drosselklappe und den Zylindern befindet, wird sogenannte "Falschluft" angesogen.
Hierdurch kann die Luftmenge, die in die Zylinder gelangt, nicht mehr exakt geregelt
werden, wodurch eine exakte Einstellung des Lambdawertes nicht mehr möglich ist. Eine
genaue Einstellung des Lambdawertes ist für einen einwandfreien und insbesondere
auch schadstoffarmen Motorbetrieb jedoch von zentraler Bedeutung.
In herkömmlichen bzw. in Serie befindlichen Steuergeräten werden Lecks im Saugrohr
lediglich als allgemeiner Fehler im Bereich Gemischbildung/Lambda-Regelung
detektiert. Die applizierten Diagnoseverfahren basieren u. a. auf den Adaptionsfaktoren
des Lambda-Regelkreises. Eine Differenzierung zwischen der Vielzahl möglicher
Fehlerursachen findet dabei bisher nicht statt. Bei den bisherigen Diagnoseverfahren ist
nicht feststellbar, ob der registrierte Fehler auf ein Saugrohrleck oder auf eine anderer
Ursache zurückzuführen ist. Eine Abschätzung der Größe eines eventuell im Saugrohr
befindlichen Lecks ist demnach ebenfalls nicht möglich. Eine solche Kenntnis ist jedoch
relevant, wenn zu entscheiden ist ob, und wenn ja, welche Reparaturmaßnahmen zu
ergreifen sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur
Leckerkennung im Saugrohr einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mittels
dessen Lecks im Saugrohr zuverlässig erkannt und deren Größe abgeschätzt werden
können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem physikalischen Effekt, dass der
Leckstrom durch einem konstanten Leckquerschnitt bei geringen Saugrohrdrücken
besonders groß ist, während die in solchen Betriebspunkten auf regulärem Weg
angesaugte Luftmasse relativ klein ist. Bei hohen Saugrohrdrücken ist hingegen der
durch den Leckquerschnitt strömende Leckmassenfluss besonders gering, während die
regulär angesaugte Luftmenge sehr hohe Werte annimmt.
Dieser Effekt wird dahingehend ausgenutzt, dass über eine gewisse Zeitspanne, in der
unterschiedliche Drehzahlen auftreten, der Luftmassenstromverlauf hinter der
Drosselklappe im Saugrohr gemessen und mit einem berechneten
Luftmassenstromverlauf verglichen wird. Der sich hieraus ergebende Differenzverlauf
wird dann dazu verwendet den effektiven Leckquerschnitt abzuschätzen.
Eine Beschränkung auf eine endliche Anzahl diskreter Werte innerhalb der Verläufe der
gemessenen bzw. berechneten Größen gemäß Anspruch 2 trägt zur rechnerischen
Handhabbarkeit des Problems bei.
Die Anordnung der diskreten Werte in ein Raster gemäß Anspruch 3 und die Subtraktion
von über alle oder mehrere Rasterfelder gemittelten Werte trägt zur Robustheit der
Diagnose bei mit Störungen behafteten Messdaten bei.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den folgenden Unteransprüchen. Insbesondere durch
den Einsatz von Neuronalen Approximatoren nach Anspruch 11 in Verbindung mit
Anspruch 8 kann der numerische Rechenaufwand soweit gesenkt werden, dass die
erfindungsgemäße Abschätzung des Leckquerschnitts auch auf einer Motor-ECU mit
geringer Rechenleistung durchgeführt werden kann.
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die Figuren näher
beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm der Signalvorverarbeitung und
Fig. 2 ein schematische Ablaufdiagramm der Optimierung der Schwerpunkte.
Das Diagnoseverfahren ist in Signalvorverarbeitung und Neuronale Mustererkennung
gegliedert.
In Fig. 1 ist die Signalvorverarbeitung SVV schematisch dargestellt. Als Eingangsgrößen
RD dienen die Motordrehzahl nVM(t), die Einspritzzeit tEV(t), die Lambdaspannung Uλ(t)
und das Meßsignal L(t) zur Messung des Luftmassenflusses im Saugrohr eingesetzten
Luftmassensensors.
Ausgewertet wird das Signal des Motordrehzahlgebers, die Lambda-Sonden-Spannung,
die aktuellen Einspritzzeiten und das Meßsignal vom Luftmassenflusssensor. Alternativ
zum Signal eines Luftmassensensors kann auch das Signal eines Saugrohrdrucksensors
verwendet werden. Sowohl aus dem Signal eines Lufmassensensors als auch aus dem
Signal einer Saugrohrdrucksonde kann der Luftmassenstrom L,DK berechnet werden.
Da die vier notwendigen Signale in allen gängigen elektronischen Motorsteuerungen
vorhanden sind, werden für die Realisierung der Diagnosefunktion keine zusätzlichen
Sensoren benötigt.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden aus den dynamischen Verläufen der
Eingangsgrößen statische Werte ermittelt. Dies wird wie folgt erreicht:
Sowohl während der für Abgastests eingesetzten dynamischen Fahrzyklen, als auch während einer normalen Straßenfahrt ergeben sich Phasen in denen Drehzahl und Last über mehrere Arbeitsspiele in etwa konstant bleiben. Solche Phasen sind zur Ermittlung von statischen Werten geeignet. Zur Ermittlung solcher Phasen müssen für die Drehzahl und den Lastwert Schranken festgelegt werden, in denen sich die zur gleichen statischen Stützstelle, welche jeweils ein Wertepaar aus Drehzahl und Luftmassenstrom ist, zugehörigen Größen bewegen dürfen. Im ersten Verfahrensschritt S1 werden für solche "statischen" Stützstellen im Steuergerät die Mittelwerte der Größen Drehzahl, gemessener Luftmassenfluss, mittlere Einspritzzeit und das an der Lambdasonde gemessene Luftverhältnis gebildet.
Sowohl während der für Abgastests eingesetzten dynamischen Fahrzyklen, als auch während einer normalen Straßenfahrt ergeben sich Phasen in denen Drehzahl und Last über mehrere Arbeitsspiele in etwa konstant bleiben. Solche Phasen sind zur Ermittlung von statischen Werten geeignet. Zur Ermittlung solcher Phasen müssen für die Drehzahl und den Lastwert Schranken festgelegt werden, in denen sich die zur gleichen statischen Stützstelle, welche jeweils ein Wertepaar aus Drehzahl und Luftmassenstrom ist, zugehörigen Größen bewegen dürfen. Im ersten Verfahrensschritt S1 werden für solche "statischen" Stützstellen im Steuergerät die Mittelwerte der Größen Drehzahl, gemessener Luftmassenfluss, mittlere Einspritzzeit und das an der Lambdasonde gemessene Luftverhältnis gebildet.
Bei der Erstellung eines Diagnosetools kann zunächst ein für die in einem späteren
Verfahrensschritt stattfindende Mustererkennung relevanter Drehzahl-/Lastbereich
festgelegt werden. Dabei wird die Größe "Last" z. B. durch den gemessenen
Luftmassenstrom charakterisiert. Der ausgewählte Drehzahl-/Lastbereich sollte nach
folgenden Kriterien ausgewählt werden:
- - Der ausgewählte Bereich sollte sowohl bei den gesetzlich festgelegten Abgastest-Fahr zyklen, als auch bei "normalem" Alltagsbetrieb möglichst gut mit statischen Stützstellen abgedeckt sein.
- - Die Steilheit der Leckmassenstromänderung sollte in dem ausgewählten Bereich möglichst groß sein.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird aus den während eines Fahrzyklusses
ermittelten statischen Werten der Drehzahl nVM, der Einspritzzeit tEV und des
Luftverhältnisses λ, die im relevanten Last-/Drehzahlbereich liegen, der theoretische
Gesamtluftmassenstrom L,th in die Zylinder abgeschätzt. Hierfür kann beispielsweise
ein Statisches Neuronales Netz (SNN) der folgenden Form verwendet werden:
L,th = SNN(nVM, tEV).λ (1)
mit λ = f(Uλ ,VK),
mit λ = f(Uλ ,VK),
wobei Uλ ,VK die Lamdaspannung einer Lambdasonde ist, welche sich im
Rohabgasstrom, also vor einem eventuell vorhandenen Katalysator, befindet.
Die Differenz zwischen dem geschätzten theoretischen Luftmassenstrom in dem die Zylinder
L,th und dem gemessenen Luftmassenstrom L,DK entspricht dem Leckmassenstrom
L,Leck:
L,Leck = L,th - L,DK (2)
Diese Differenz wird im dritten Verfahrensschritt S3 berechnet.
Für die Musterauswertung in dem ausgewählten Bereich wird im vierten Verfahrensschritt
S4 sowohl die Drehzahlachse, als auch die Luftmassenstromachse in eine zu wählende
Anzahl von Teilabschnitten aufgeteilt, die in der Drehzahl/Luftmassenstrom-Ebene ein
Rasterfeld aufspannen. Die Mittelpunkte der Rasterfelder sind durch die i × j Matrix mit
i.j = m
gegeben, wobei die n1. . . i gewählte Drehzahlen und die L,1. . . j gewählte
Luftmassenströme sind.
Im Verfahrensschritt S5 wird jeder nach Gleichung (2) abgeschätzte Leckmassenstrom
L,Leck dem Rasterfeld in M zugeordnet, zu dessen Mittelpunkt der aus Drehzahl und
Luftmassenstrom gebildete Lastwert den kleinsten Abstand hat. Liegt für jedes der m
Rasterfelder in (3) mindestens ein geschätzter Leckmassenstromwert L,Leck vor, so
wird zur Ermittlung der Luftmassenstrom-Differenzwerte ΔL,1. . . m in den m Rasterfeld-Mittel
punkten aus den m Leckmassenstromwerten L,Leck eine Interpolations-Funktion
benötigt. Empirische Untersuchungen haben ergeben, dass für den funktionalen
Zusammenhang
L,Leck_1. . . m = f(nVM_1. . . m, tEV_1. . . m) (4)
die spezielle Form der Ebenengleichung
L,Leck_1. . . m = a.nVM_1. . . m + b.tEV_1. . . m (5)
besser geeignet ist, als die allgemeine Ebenengleichung
L,Leck_1. . . m = a.nVM_1. . . m + b.tEV_1. . . m + c. (6)
Die Parameter a und b der Ausgleichsebene können nach der "Methode der kleinsten
Quadrate" (Least Squares) ermittelt werden. Mit Hilfe der erhaltenen Ebenengleichung (5)
können dann die geschätzten Luftmassenstrom-Differenzwerte ΔL,1. . . m in den
Rastermittelpunkten im Verfahrensschritt S6 berechnet werden (vgl. Matrix M aus
Gleichung (3)):
Prüfstandsmessungen und Praxistests haben gezeigt, dass Luftmassenstromwerte und
Einspritzzeiten in vielen Fällen noch mit Offsets behaftet sind. Ein Grund für einen
solchen Offset kann z. B. ein Temperatur-Drift des Luftmassenmesser sein, der entweder
durch eine relativ hohe oder eine relativ niedrige Ansauglufttemperatur verursacht wird.
Ähnliche Auswirkungen wie ein Offset direkt am Luftmassenmesser hat noch eine Anzahl
anderer Faktoren, wie Verschmutzungen an den Einspritzventilen, unterschiedliche
Kraftstoffqualitäten usw. Bei einer schlechteren Kraftstoffqualität kommt es zu einem
Anstieg der Einspritzzeit. Dieser Anstieg müßte für gleiche Luftmassenwerte bei
unterschiedlichen Drehzahlen in etwa den gleichen prozentualen Wert haben. Leider
verhindert hier die nichtlineare Kennlinie der Einspritzventile einen exakt gleichen
prozentualen Einspritzzeit-Anstieg.
Das Problem der Offsets wird deshalb auf folgende Weise gelöst: Die zu den
Luftmassenstrom-Differenzwerten ΔL zugehörigen Luftmassenstromwerte L,DK am
Luftmassenmesser sind in der Matrix ΔL aus Gleichung (8) jeweils zeilenweise
konstant (vgl. Gleichung (3)). Ein für jeweils gleiche Luftmassenstromwerte L,DK
gleiches Offset der Luftmassenmessung hat auf alle Werte einer Zeile also die gleichen
Auswirkungen. Solche Offsets können durch Subtraktion des Mittelwerts aller Elemente
einer Zeile von den einzelnen Zeilenelementen eliminiert werden:
Dies geschieht im Verfahrensschritt S7.
Die so erhaltenen Matrizenelemente ΔN,1. . . i,1. . . j sollen dazu verwendet werden mittels
eines Neuroapproximators den effektiven Leckdurchmesser abzuschätzen. Es empfiehlt
sich jedoch nicht alle Matrizenelemente von ΔN als Eingänge des Neuroapproximators
zu verwenden, sondern mehrere Matrizenelemente zu jeweils einem Eingang
zusammenzufassen. Würde man alle Matrixelemente als einzelne Eingänge verwenden,
so träten die unter dem Begriff "Fluch der Dimensionen" bekannten Problemstellungen auf.
Im Verfahrensschritt S8 werden deshalb die Dimensionen des Musters reduziert.
Für die Abtastung des erhaltenen Musters mit einer frei wählbaren Anzahl von nE
Neuro-Approximator-Eingängen kann z. B. eine entsprechende Anzahl von Schwerpunkten im
untersuchten Drehzahl-/Luftmassenstrombereich beliebig festgelegt werden. Alle
Elemente der ΔN-Matrix werden in jedem Schwerpunkt entsprechend des Abstandes
zu diesem Schwerpunkt mit einer Gauss-Kurve nach Gleichung (9) gewichtet. Für den
rten Eingang gilt:
Luftmassenflußschwerpunkte der nE Eingänge:
S,1, S,2, S,3, . . . S,nE
Drehzahlschwerpunkte der nE Eingänge:
nS,1, nS,2, nS,3, . . . nS,nE
Normierung des Luftmassenstroms:
S,1, S,2, S,3, . . . S,nE
Drehzahlschwerpunkte der nE Eingänge:
nS,1, nS,2, nS,3, . . . nS,nE
Normierung des Luftmassenstroms:
Normierung der Drehzahl:
Für jeden Schwerpunkt erhält man also eine Wichtungsmatrix Wr, mit der die Elemente
von ΔN gewichtet werden. Da diese Wichtungsmatrizen, nachdem sie in dieser Weise
festgelegt wurden, konstant gehalten werden, können die Matrizen-Werte im Steuergerät
abgespeichert werden und müssen nicht online berechnet werden.
Für den Wert des r-ten Eingangs gilt folgende Berechnung:
i l|r = Spur(Wr T.ΔN) (10)
Die Signalvorverarbeitung ist nun abgeschlossen. Die hierbei erhaltenen Werte (vgl.
Gleichung 10) werden nun klassifiziert, das heißt aus ihnen wird die Größe eines
eventuellen Lecks abgeschätzt. Eine solche Klassifikation ist grundsätzlich mit
unterschiedlichen Methoden und Verfahren möglich. Dazu gehören auch
Mustererkennungs-Verfahren, da, wie oben beschrieben, die Größe des
Leckmassenstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl typische Verläufe aufweist.
Eine Möglichkeit zur Klassifikation besteht in der Verwendung von Neuro-Klassifikatoren.
Solche Neuro-Klassifikatoren, die z. B. auf einem einfachen statischen Multi-Layer-
Perceptron basieren, lassen sich automatisiert parametrieren und sind für die vorliegende
Aufgabe besonders geeignet. Die Struktur des Multi-Layer-Perceptrons - vor allem die
Parameter "Anzahl der Eingänge" und "Anzahl der Wichtungen" - müssen dabei aber
jeweils mit Hilfe empirischer Untersuchungen optimiert werden. Als Ausgangsgröße des
Multi-Layer Perceptrons kann die Querschnittsfläche des Lecks verwendet werden. Da
der geschätzte Leckquerschnitt fehlerbehaftet ist, bedarf der vom Neuro-Approximator
geschätzte Leckquerschnitt in der Regel noch einer Signalnachverarbeitung. Ein
bestimmter diagnostizierter Leckquerschnitt sollte vom Steuergerät nur dann als Fehler
angezeigt werden, falls der diagnostizierte Leckquerschnitt einen hinreichenden
Sicherheitsabstand zum Schätzfehler hat. Weiterhin ist auch eine mehrfache
Wiederholung der Diagnose mit neuen Meßwerten sinnvoll. Die unterschiedlichen
Schätzwerte können dabei statistisch ausgewertet werden.
Es wird nun noch dargestellt, wie die Lage der Schwerpunkte optimiert werden kann. Wie
in Fig. 2 dargestellt, werden zunächst die Rohdaten der Signalvorverarbeitung zugeführt
(s. auch Fig. 1). Mittels der Signalvorverarbeitung werden sowohl Trainings- als auch
Validierungsdaten erzeugt. Mit den Trainingsdaten wird der oben beschriebene
Neuroklassifikator trainiert, das heißt der Neuroklassifikator lernt die von ihm später zu
erkennenden Muster. Mit den Validierungsdaten wird dann der Neuroklassifikator
getestet. Die Ergebnisse dieses Tests werden einem genetischen Algorithmus
unterzogen. Sind die Ergebnisse unbefriedigend, wird die Lage der Schwerpunkte in der
Signalvorverarbeitung verschoben und der Zyklus erneut durchlaufen. Die Schleife wird
abgebrochen, wenn die Ergebnisse des Neuroklassifikatortests eine ausreichend hohe
Qualität aufweisen.
Claims (11)
1. Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbren
nungsmotoren mit folgenden Schritten:
- - Messen wenigstens eines Luftmassenstromverlaufs und des zugehörigen Verlaufs weiterer Meß-/Stell- und Regelgrößen der elektronischen Motorsteuerung während einer Zeitspanne, in der unterschiedliche Drehzahlen und Motorlasten auftreten,
- - Schätzen wenigstens eines theoretischen Luftmassenstromverlaufs während der Zeitspanne aus den Stell-, Meß- und/oder Regelgrößen der elektronischen Motorsteuerung,
- - Bilden eines Differenzverlaufes zwischen dem theoretischen Luftmassen stromverlauf und dem gemessenen Luftmassenstromverlauf,
- - Verwendung der Differenzverlaufs zur Schätzung eines effektiven Leckquerschnitts im Saugrohr.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Verläufen
der gemessenen und berechneten und/oder geschätzten Größen eine Mehrzahl
diskreter Werte erzeugt und zur Schätzung des effektiven Leckquerschnitts ver
wendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Werte in Abhängigkeit von mindestens einer Lastgröße in ein Raster sortiert
werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den
diskreten Differenzwerten Interpolationsgeraden bzw. Interpolationsebenen gebildet
werden, deren Eigenschaften zur Schätzung des effektiven Leckquerschnitts
verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
nach einer oder mehreren Lastgrößen sortierten Differenzwerten oder daraus
gebildete Interpolationswerte auf das Vorliegen bestimmter Muster untersucht
werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein
spezieller Drehzahl-/Lastbereich so ausgewählt wird, dass der Betrag der Ableitung
der Differenzwerte nach ausgewählten Lastgrößen innerhalb dieses Bereichs
möglichst große Werte annimmt.
7. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eventu
elle Offsets und/oder Sensorfehler durch Subtraktion des Mittelwerts der
Differenzen zwischen gemessenen und geschätzten Luftmassenströmen bei ähnlicher
Last aber unterschiedlicher Drehzahl beseitigt werden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
durch die Gesamtzahl der interpolierten oder gemessenen Funktionswerte der
Rasterpunkte gebildete Muster mit nur einigen wenigen Schwerpunkten
ausgewertet wird, wobei die einzelnen Funktionswerte der Rasterpunkte jeweils
gemäß ihres Abstandes von dem jeweiligen Schwerpunkt gewichtet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schwerpunkte mit
Hilfe genetischer Algorithmen oder sonstiger Suchalgorithmen ermittelt werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Fuzzy-Techniken zur Schätzung des effektiven Leckquerschnitts eingesetzt
werden.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein Neuronaler Approximator zur Schätzung des effektiven
Leckquerschnitts eingesetzt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000128878 DE10028878A1 (de) | 2000-06-10 | 2000-06-10 | Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem Zylinder |
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---|---|---|---|
DE2000128878 DE10028878A1 (de) | 2000-06-10 | 2000-06-10 | Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem Zylinder |
Publications (1)
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DE10028878A1 true DE10028878A1 (de) | 2001-12-13 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2000128878 Withdrawn DE10028878A1 (de) | 2000-06-10 | 2000-06-10 | Verfahren zur Erkennung und Bewertung von Lecks im Saugrohr von Verbrennungsmotoren mit wenigstens einem Zylinder |
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