DE102004055313B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose oder Verstärkungsadaption von Zylinderdrucksensoren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Diagnose und/oder Verstärkungsadaption von Zylinderdrucksensoren eines Verbrennungsmotors gekennzeichnet durch – Aufnehmen (S1) mehrerer Sensorsignale mit mehreren Sensoren, – Berechnen (S2) eines Drehmoments des Verbrennungsmotors mit Hilfe von mindestens zwei verschiedenen Modellen, die jeweils mindestens eines der mehreren Sensorsignale verwenden, unter Bereitstellung von mindestens zwei Modelldrehmomenten, – Berechnen (S3) von mindestens einer Momentendifferenz aus zwei der Modelldrehmomente und – Ermitteln (S4 bis S18) eines Diagnosewerts und/oder einer Adaptionsgröße in Abhängigkeit von der mindestens einen Momentendifferenz, wobei das Ermitteln (S4 bis S18) eines Diagnosewerts und/oder einer Adaptionsgröße durch Mustervergleich eines Residuenmusters, das die Momentendifferenzen ergeben, mit einem oder mehreren vorgegebenen Mustern erfolgt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose und/oder Verstärkungsadaption von Zylinderdrucksensoren eines Verbrennungsmotors. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
• Für zahlreiche Steuerungsprozesse eines Verbrennungsmotors ist es notwendig, den Zylinderdruck exakt zu erfassen. Hierfür werden in bekannter Weise Zylinderdrucksensoren eingesetzt. Derartige Zylinderdrucksensoren sind naturgemäß dauerhaft nicht fehlerfrei. Daher ist es geboten, die Zylinderdrucksensoren einer Fehlerdiagnose zu unterwerfen und gegebenenfalls deren Signalverstärkung zu adaptieren.
• Die von den Zylinderdrucksensoren erfassten Ist-Werte können beispielsweise dafür verwendet werden, ein indiziertes Ist-Motormoment einer Brennkraftmaschine zu ermitteln. Ein diesbezügliches Modell ist beispielsweise aus thermodynamischen Lehrbüchern (z.B. Pischinger, Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine, Springer Verlag) über die physikalische Definition der Hub-Volumenarbeit zu entnehmen.
• Weitere Modelle sind in den Druckschriften DE 42 32 974 C2 , DE 195 45 221 A1 , DE 196 18 849 A1 , EP 1 041 264 A2 beschrieben. Auch die Druckschrift DE 197 26 194 A1 zeigt ein Verfahren zur Ermittlung eines Drehmoments einer Brennkraftmaschine. Zudem offenbaren die Druckschriften DE 103 11 519 A1 und DE 101 49 434 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Drucksensor im Brennkraftraum, der den Gasdruck erfasst. Aus Rämisch, G.: „Ein neuronales Drehmomentenmodell zur zylinderindividuellen Diagnose von Verbrennungsmotoren“, Steuerung und Regelung von Fahrzeugen und Motoren, Autoreg 2002, Tagung Mannheim 15. Und 16. April 2002, Düsseldorf, VDI-Verl. 2002, (VDI-Berichte; 1672), S. 291–299, ISBN 3-18-09-1672-9, ist eine Modellbildung von dynamischen Prozessen des Verbrennungsmotors bekannt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Diagnose und Verstärkungsadaption von Zylinderdrucksensoren von Brennkraftmaschinen zu ermöglichen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6.
• In vorteilhafter Weise ist es damit möglich, die Funktionsfähigkeit der Zylinderdrucksensoren indirekt über berechnete bzw. geschätzte Drehmomente zu ermitteln.
• Vorzugsweise betrifft eines der mehreren Sensorsignale den Innenraumdruck eines Zylinders, den Saugrohrdruck, die mittlere Motordrehzahl, den Zündwinkel, den Verbrennungsbeginn, die Frischluftfüllung oder eine spektrale Amplitude eines Drehzahlsignals. Somit können unterschiedlichste physikalische Größen zur Berechnung des Drehmoments zur Diagnose bzw. zur Verstärkungsadaption der Zylinderdrucksensoren verwendet werden.
• Es ist günstig, mindestens vier Modelle zur Berechnung des Drehmoments zu verwenden. Je unterschiedlicher diese Modelle sind, d.h. auf je mehr verschiedene Signale die Modelle zugreifen, desto aussagekräftiger wird der Momentenvergleich.
• Des Weiteren sollten mindestens vier, vorzugsweise sechs, Momentendifferenzen gebildet werden. Je mehr Momentendifferenzen ausgewertet werden, desto differenzierter ist die Diagnose bzw. desto differenzierter lässt sich die Verstärkungsadaption durchführen.
• Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Ermitteln eines Diagnosewerts und/oder einer Adaptionsgröße durch Mustervergleich eines Musters, das die Momentendifferenzen ergeben, mit einem oder mehreren vorgegebenen Mustern. Dadurch kann beispielsweise eine Klassifikation der Sensorfehler und eine entsprechende Adaption durchgeführt werden.
• Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Berechnen der Momentendifferenzen zyklisch wiederholt, für jede Momentendifferenz ein Toleranzband vorgegeben und ein Fehlerbit bei Verlassen des Toleranzbands hochgezählt werden. Somit kann die Diagnose bzw. Verstärkungsadaption unter Berücksichtigung einer Abweichungshäufigkeit und -stärke erfolgen.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• 1 eine Skizze zur Berechnung der Momente mit mehreren Modellen;
• 2 eine Skizze zur Residuengenerierung;
• 3 mehrere Residuenmuster, und
• 4 ein Blockdiagramm zur erfindungsgemäßen Verstärkungsadaption.
• Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
• Es gilt, einen Zylinderdrucksensor zu überprüfen und gegebenenfalls seine Verstärkung zu adaptieren. Hierzu werden entsprechend 1 auf fünf verschiedene Weisen Drehmomente der Brennkraftmaschine ermittelt und aus deren Differenz eine Aussage über die Funktionsfähigkeit des Zylinderdrucksensors getroffen. Zum einen wird das indizierte Drehmoment Mi der Hochdruckphase direkt entsprechend der Gleichung

  

  aus dem Zylinderdruck bzw. Innenraumdruck p_z berechnet. Zusätzlich wird das Drehmoment mit vier weiteren Modellen berechnet, denen die Algorithmen 1 bis 4 zugrunde liegen. Dementsprechend ergeben sich die Momente M_i1, M_i2, M_i3 und M_i4. Idealerweise sind sämtliche Drehmomente M_i, M_i1, M_i2, M_i3 und M_i4 gleich groß.
• Als Algorithmen können im Prinzip all diejenigen Algorithmen verwendet werden, die den Modellen der eingangs erwähnten Druckschriften zugrunde liegen. So kann der Algorithmus 1 die Eingangsgrößen Saugrohrdruck p_s, die mittlere Motordrehzahl n_MOT und den Zündwinkel α_z besitzen. Der zweite Algorithmus hat beispielsweise die Eingangsgrößen Saugrohrdruck p_s, mittlere Motordrehzahl n_MOT und den Verbrennungsbeginn φ_Q5, der sich aus dem Zylinderdruck p_z berechnen lässt.
• Der dritte Algorithmus kann als Eingangsgrößen eine Druckdifferenz dp(m_ges,zyl), die ein Maß für die Frischluftfüllung des Motors ist, die mittlere Motordrehzahl n_MOT und den Zündwinkel α_z haben. Dabei hängt die Druckdifferenz dp von der Gesamtzylinderfüllmasse m_ges,zyl ab. Der vierte Algorithmus kann schließlich die Eingangsgrößen Amplitude Â_{FFT(60-2Signal)}, die aus einer Frequenz- bzw. Fourieranalyse des zahnfehlerkorrigierten 60-2 Drehzahlsignals bestimmt wird, und die mittlere Motordrehzahl n_MOT haben.
• Durch die Berechnung des indizierten Moments mit verschiedenen Algorithmen bzw. Eingangsprozessgrößen liegt analytische Redundanz vor. Dabei ist festzustellen, dass die Drehmomente M_i1 und M_i4 nicht vom Zylinderdrucksensorsignal abhängen. Hingegen sind die Drehmomente M_i, M_i2 und M_i3 vom Zylinderdrucksensorsignal abhängig und werden folglich von Drucksensorfehlern beeinflusst.
• Ein Vergleich der Drehmomente M_i, M_i1, M_i2, M_i3 und M_i4 untereinander bringt Informationen über mögliche Fehlerquellen. Ein derartiger Vergleich ist beispielhaft in 2 skizziert. Demnach werden aus den Momenten M_i, M_i1, M_i3 und M_i4 die Residuen R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ gebildet. Das Moment M_i2 wird für die vorliegende Residuengenerierung nicht verwendet, kann aber für eine verfeinerte Diagnose oder Adaption zusätzlich herangezogen werden.
• Die einzelnen Residuen R1 bis R4 sind Differenzen jeweils eines Paars aus der Menge der ermittelten Drehmomente. Idealerweise müssten diese Differenzen bzw. Residuen 0 ergeben.
• Im konkreten Beispiel ist: R₁ = M_i – M_i4 R₂ = M_i – M_i1 R₃ = M_i1 – M_i4 R₄ = M_i – M_i3 R₅ = Σ_(n)|M_izyl(k) – M_izyl(n)| R₆ = Σ_(n)|M_i3zyl(k) – M_i3zyl(n)|
• Die Residuen 5 und 6 ergeben sich aus der Summe aller Abweichungen der Drehmomente M_i bzw. M_i3 von den Zylindern untereinander. Somit können beispielsweise auch Fehler eines Drehzahlgebers ermittelt werden, die sich nur auf mehrere Zylinder insgesamt auswirken. Die Residuen R₁ bis R₄ betreffen dagegen jeweils nur einen einzelnen Zylinder.
• Bei dem Auftreten bestimmter Fehlertypen ergeben sich Abweichungen der einzelnen Residuen von 0. Dabei ist eine Eingrenzung auf einen Fehlertyp je nach Residuencharakteristik möglich. Dies lässt sich anhand von 3 näher erläutern, die drei Residuencharakteristiken bzw. Residuenmuster jeweils für die Residuen R₁ bis R₆ widerspiegelt. Jedes Residuenmuster bzw. jede Residuencharakteristik ist als Sechs-Säulen-Diagramm dargestellt. Aus jeder Residuencharakteristik lässt sich eine Diagnose gewinnen und gegebenenfalls eine Verstärkungsadaption durchführen.
• Die linke Charakteristik in 3 zeigt eine Residuenberechnung bei einem Verstärkungsfehler um –10%. Hierbei ergibt sich R3, R4 = 0 und R1, R2 <> 0. Bei einem ähnlichen Residuenmuster kann also auf einen Verstärkungsfehler geschlossen werden.
• Die mittlere Residuencharakteristik in 3 wurde für einen Fehler der oberen Totlage um –2° erstellt. Hier ergibt sich R₃ = 0 und R₁, R₂, R₄ > 0.
• Die rechte Residuencharakteristik wurde analog für einen Fehler der oberen Totlage um +2° erstellt. Hier ergibt sich R3 = 0 und R1, R2, R4 < 0. Bei derartigen Mustern, wie auch bei dem mittleren von 3, lässt sich also eindeutig auf einen Fehler der oberen Totlage schließen. Dies bedeutet, dass der Motor, nicht aber der Zylinderdrucksensor defekt ist. Die Lage des oberen Totpunkts ist jedoch für die Synchronisation der Zylinderdruckmessdaten mit dem Kurbelwinkel wichtig.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Fehlererkennung auch bei dynamischen Fahrten (Gas geben/Gas wegnehmen) möglich. Insbesondere kann dadurch eindeutig unterschieden werden, ob der Motor oder der Sensor defekt ist, denn beide Defekte haben unter Umständen die gleiche Wirkung. Um eine Information über die Funktionsfähigkeit der Zylinderdrucksensoren zu erhalten, ist es notwendig, zum Teil Algorithmen zu verwenden, die eine Zylinderdrucksensorinformation als Eingangsgröße besitzen und zum anderen Teil Algorithmen zu verwenden, die ohne Zylinderdrucksensorinformationen auskommen. Damit kann eindeutig Information darüber gewonnen werden, ob der Zylinderdrucksensor oder eine andere Komponente, z.B. der Motor, defekt ist. Bestimmte Fehlertypen wie Aussetzer, Kompressionsverlust, Sensorverstärkungsfehler und dergleichen, zeigen dann bestimmte charakteristische Ausprägungen der sogenannten Residuen.
• Die erfindungsgemäße Residuenbildung kann auch für die Verstärkungsadaption herangezogen werden, wie dies anhand von 4 näher erläutert wird. Zunächst werden im Schritt S1 sämtliche Ist-Größen erfasst bzw. berechnet. Hierzu zählt die zündungstaktsynchrone Berechnung der mittleren Motordrehzahl n und der Amplitude Â_FFT,60-2 aus dem 60-2-Kurbelwellengeberrad, das Berechnen des Druckanstiegs dp aus dem Zylinderdrucksignal, das Bereitstellen des Saugrohrdrucks p_S mit dem Saugrohrdruckgeber und das Vorgeben des Soll-Zündwinkels α_Z. In dem anschließenden Schritt S2 werden mit den unterschiedlichen Algorithmen die Momente M_i, M_i1, M_i2 und M_i4 für jeden Zylinder berechnet. Daraus lassen sich die Residuen R₁ bis R₆ für jeden Zylinder gemäß Schritt S3 berechnen und gegebenenfalls eine Filterung der Residuen über einen gleitenden Mittelwert durchführen.
• In Schritt S4 erfolgt eine Schwellwertabfrage und es werden Fehlerbits gesetzt. Dabei werden die Residuen R1 bis R6 mit arbeitspunktabhängigen Toleranzgrenzen verglichen, wobei die Residuen im fehlerfreien Fall 0 betragen. Bei Über- oder Unterschreiten des Toleranzbandes wird je nach Vorzeichen ein Zähler hochgezählt, der bei Überschreiten eines Schwellwerts ein Fehlerbit setzt. Die Toleranzbänder werden durch folgende Grenzen definiert:
  R1 Z1_O Residuum 1, Zylinder 1, obere Grenze
  R1 Z1_U Residuum 1, Zylinder 1, untere Grenze
  ...
  R6 Z4_U Residuum 6, Zylinder 4, untere Grenze.
• Der Einfachheit halber ist in 4 lediglich eine Bewertung des Zylinders 1 dargestellt. Dementsprechend erfolgt in den Schritten S5 bis S10 eine Abfrage der Residuenwerte hinsichtlich der vorgegebenen Grenzen, die sich unmittelbar aus 4 ergeben. Dabei können auch Fehlertypen wie Kompressionsverlust und dergleichen erkannt werden.
• Durch die Abfragen in den Schritten S5 und S6 können beispielsweise Fehler des Zylinderdrucksensors 1 erkannt werden. Somit kann beispielsweise die Hysterese der Sensorauswertung nach einem Thermoschock neu adaptiert werden (vgl. Schritte S11 und S12).
• Ferner können durch die Abfragen S7 und S8 Fehler von Referenzmarken bezüglich der Lage der oberen Totpunkte registriert werden. Daraufhin lässt sich der oberer Totpunkt entsprechend in negativer oder positiver Richtung verschieben (vgl. Schritte S13 und S14).
• Für die Verstärkungsadaption sind nun die Abfragen S9 und S10 von Bedeutung. Über- bzw. unterschreiten die Residuen R₁, R₂, R₅ und R₆ ihre vorgegebenen Grenzen, so kann auf einen Verstärkungsfehler geschlossen werden (vgl. Schritte S15 und S16). Liegen die Residuen R₁ und R₂ unter den entsprechenden Grenzen und die Residuen R₅ und R₆ oberhalb der jeweiligen Grenzen, so ist die Verstärkung zu klein, wie dies in Schritt S15 festgestellt wird. Daraufhin wird gemäß Schritt S17 die Verstärkung des Zylinderdrucksensors 1 über einen langsamen I-Regler erhöht.
• Andernfalls, wenn die Residuen R₁ und R₂ oberhalb ihrer oberen Grenzwerte und die Residuen R5 und R6 unterhalb der jeweiligen Grenzwerte liegen, was in Schritt 10 überprüft wird, so wird in Schritt 16 festgestellt, dass die Verstärkung des Zylinderdrucksensors 1 zu hoch ist. Folglich wird gemäß Schritt 18 die Verstärkung des Zylinderdrucksensors 1 über einen langsamen I-Regler verringert. Im Anschluss an die jeweiligen Adaptionsschritte werden die Ist-Größen gemäß Schritt S1 erneut aufgenommen.
• Auf diese Weise kann der Verstärkungsfaktor, d.h. die Sensorempfindlichkeit, „online“ während des Motorbetriebs durch das Motorsteuergerät angepasst bzw. adaptiert werden. Auch kann hierdurch ein Verstärkungsfehler gegenüber anderen Fehlern, z.B. Hysterese, Nichtlinearität, fehlerhafter Betrieb, abgegrenzt werden.
• Bezugszeichenliste

Â_FFT

Amplitude

A_k

Kolbenfläche des Zylinders

α_Z

Zündwinkel

dp(m_ges,zyl)

Druckdifferenz

Mi bis Mi4

Drehmomente

n_MOT

Motordrehzahl

p_i

Zylinderdruck

p_S

Saugrohrdruck

r

Kurbelradius

R₁ bis R₆

Residuen

V_H

Hubvolumen

φ_Q5

Verbrennungsbeginn

S1 bis S18

Schritte

Claims (8)

1. Verfahren zur Diagnose und/oder Verstärkungsadaption von Zylinderdrucksensoren eines Verbrennungsmotors gekennzeichnet durch – Aufnehmen (S1) mehrerer Sensorsignale mit mehreren Sensoren, – Berechnen (S2) eines Drehmoments des Verbrennungsmotors mit Hilfe von mindestens zwei verschiedenen Modellen, die jeweils mindestens eines der mehreren Sensorsignale verwenden, unter Bereitstellung von mindestens zwei Modelldrehmomenten, – Berechnen (S3) von mindestens einer Momentendifferenz aus zwei der Modelldrehmomente und – Ermitteln (S4 bis S18) eines Diagnosewerts und/oder einer Adaptionsgröße in Abhängigkeit von der mindestens einen Momentendifferenz, wobei das Ermitteln (S4 bis S18) eines Diagnosewerts und/oder einer Adaptionsgröße durch Mustervergleich eines Residuenmusters, das die Momentendifferenzen ergeben, mit einem oder mehreren vorgegebenen Mustern erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eines der mehreren Sensorsignale den Innenraumdruck eines Zylinders, den Saugrohrdruck, die mittlere Motordrehzahl, den Zündwinkel, den Verbrennungsbeginn, die Frischluftfüllung oder eine spektrale Amplitude eines Drehzahlsignals betrifft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens vier Modelle zur Berechnung eines Drehmoments verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei mindestens vier, vorzugsweise sechs, Momentendifferenzen gebildet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Berechnen der Momentendifferenzen zyklisch wiederholt, für jede Momentendifferenz ein Toleranzband vorgegeben (S5 bis S10) und ein Fehlerbit bei Verlassen des Toleranzbands hochgezählt wird.
6. Vorrichtung zur Diagnose und/oder Verstärkungsadaption von Zylinderdrucksensoren eines Verbrennungsmotors gekennzeichnet durch – eine Sensoreinrichtung mit mehreren Sensoren zum Aufnehmen (S1) mehrerer Sensorsignale und – eine Recheneinrichtung zum Berechnen (S2) eines Drehmoments des Verbrennungsmotors mit Hilfe von mindestens zwei verschiedenen Modellen, die jeweils mindestens eines der mehreren Sensorsignale verwenden, unter Bereitstellung von mindestens zwei Modelldrehmomenten, zum Berechnen (S3) von mindestens einer Momentendifferenz aus zwei der Modelldrehmomente und zum Ermitteln (S4 bis S18) eines Diagnosewerts und/oder einer Adaptionsgröße in Abhängigkeit von der mindestens einen Momentendifferenz, wobei das Ermitteln (S4 bis S18) eines Diagnosewerts und/oder einer Adaptionsgröße durch Mustervergleich eines Residuenmusters, das die Momentendifferenzen ergeben, mit einem oder mehreren vorgegebenen Mustern erfolgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Sensoreinrichtung einen Sensor für den Innenraumdruck eines Zylinders, den Saugrohrdruck, die mittlere Motordrehzahl, den Zündwinkel, den Verbrennungsbeginn oder die Frischluftfüllung umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei mit der Recheneinrichtung die Momentendifferenzen zyklisch berechenbar sind und die Recheneinrichtung eine Fehlerauswerteeinheit umfasst, in der für jede Momentendifferenz ein Toleranzband ablegbar und in jedem Zyklus ein Fehlerbit bei Verlassen des Toleranzbands hochzählbar ist.

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