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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Aus
der
DE 102 05 966
A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines eine Sekundärluftpumpe umfassenden
Sekundärluftsystems
einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein den Sekundärluftstrom
charakterisierendes Signal bestimmt wird. Dazu wird mindestens ein
Signal wenigstens einer Betriebskenngröße der Sekundärluftpumpe
während der
Bestimmung des den Sekundärluftstroms
charakterisierenden Signals bestimmt und auf einen Fehler im Sekundärluftsystem
geschlossen, wenn das Signal der wenigstens einen Betriebskenngröße außerhalb
eines vorgebbaren Intervalls liegt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Erkennung von Undichtigkeiten
und Störungen eines
Sekundärluftsystems
eines in einem Kraftfahrzeug angeordneten Abgassystems zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen einer Sekundärluftpumpe
und einem Katalysator der Gasdruck in seinem zeitlichen Verlauf
mittels eines Drucksensors erfasst wird, dass eine Frequenzanalyse
des zeitlichen Verlaufs des Gasdrucks durchgeführt wird und dass durch Auswertung
der Frequenzanalyse ein Fehler im Sekundärluftsystem ermittelt wird.
Damit kann ein Fehler im Sekundärluftsystem
allein über
die Auswertung des Gasdrucks erkannt werden. Eine Erfassung und
Auswertung von Betriebsgrößen des
Sekundärluftsystems
ist nicht notwendig.
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Eine
Frequenzanalyse löst
den zeitlichen Verlauf des Gasdrucks in seine periodischen Anteile auf.
Dabei ist der größte periodische
Anteil der Verbrennungsprozess in den Zylindern der Brennkraftmaschine
des Kraftfahrzeuges. Diese Schwingung wird von der Geometrie des
Abgassystems verändert.
Dazu kommt eine schwingungsdämpfende Überlagerung
durch den gleichmäßigen Luftstrom der
Sekundärluftzufuhr.
Hinzu kommen weitere Überlagerungen
durch weitere Einflussgrößen. Eine
dieser weiteren Einflussgrößen kann
dabei ein Leck im Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Katalysator
sein. Eine Frequenzanalyse erlaubt es die verschiedenen einander überlagerten
Einflussgrößen voneinander
zu unterscheiden, indem sie die verschiedenen periodischen Anteile
voneinander trennt. Damit kann eine Veränderung im zeitlichen Verlauf der
Kurve nach erfolgter Frequenzanalyse einer sie verursachenden Einflussgröße zugeordnet
werden. Da bereits kleinste Löcher
oder Lecks den zeitlichen Druckverlauf verändern, ist die Vorrichtung
geeignet, selbst kleinste Undichtigkeiten im Sekundärluftsystem
zu erkennen.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens ist das Frequenzanalyseverfahren eine Fourieranalyse. Die
Fourieranalyse ist eine genaue und sichere Methode eine Frequenzanalyse
durchzuführen.
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In
einer Ausführungsform
wird in Abhängigkeit
von einer Motordrehzahl und einem Umgebungsluftdruck ein zu betrachtender
Frequenzbereich ausgewählt
und der maximale Wert des Gasdrucks in diesem Frequenzbereich ermittelt.
Der höchste Druckwert
der Frequenzanalyse liegt im Bereich der Frequenz der Arbeitstakte
des Motors und ist damit abhängig
von der Motordrehzahl. Damit ist der Frequenzbereich, in dem der
höchste
Druckwert liegt, auf einfache Weise eingrenzbar.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens wird dieser maximale Wert des Gasdrucks mit einem Schwellwert
verglichen und bei Unterschreiten des Schwellwertes ein Leck im
Sekundärluftsystem
erkannt. Damit ist es möglich
selbst kleinste Löcher
sowohl im Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Sekundärluftventil
als auch zwischen Sekundärluftventil
und Katalysator zu erfassen.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens wird zusätzlich
ein gleitender zeitlicher Mittelwert des Gasdruckes gebildet, wird
dieser Mittelwert mit einem Schwellwert verglichen und wird die
Sekundärluftpumpe
als fehlerhaft erkannt, wenn der Mittelwert kleiner ist als der
Schwellwert.
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Als
gleitender zeitlicher Mittelwert wird ein Mittelwert über ein
Zeitintervall verstanden, bei dem das Intervall bei jeder Mittelwertbildung
um einen oder mehrere Messpunkte verschoben wird, sich aber mit
dem vorhergegangenen Zeitintervall überlappt. Typischerweise wird
im vorliegenden Fall der gleitende Mittelwert über einen Zeitraum gebildet,
der einem Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine von 720° entspricht.
In diesem Zeitraum haben bei einer Brennkraft maschine alle Zylinder
einmal gearbeitet. Damit werden Schwankungen des Mittelwertes durch
ungleiches Arbeiten der Zylinder minimiert. Der Mittelwert des Gasdruckes
ist abhängig
von Sekundärluft-Massendurchsatz.
Ein Absinken des Gasdruckes kann als Absinken des Sekundärluft-Massendurchsatz
interpretiert werden. Dies bedeutet dass die Sekundärluftpumpe
nicht mehr voll arbeitet. Es kann also ein Schwellenwert festgelegt
werden unterhalb dessen die Sekundärluftpumpe als fehlerhaft angesehen
wird. Damit ist es möglich,
nur mit einem Drucksensor und einer damit verbundenen Auswerteeinheit
eine Fehlfunktion der Sekundärluftpumpe zu
erfassen. Informationen über
Betriebsparameter der Sekundärluftpumpe
sind dazu nicht notwendig.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass ein Drucksensor zur Erfassung des
zeitlichen Verlaufs des Gasdruckes zwischen Sekundärluftzufuhr
und Katalysator und eine mit dem Drucksensor verbundene Auswertungseinheit
vorgesehen sind, dass eine der Auswertungseinheit zugeordnete Frequenzanalyseeinheit
zur Transformierung des vom Drucksensor erfassten zeitlichen Verlaufs
des Gasdrucks vorgesehen ist und dass Mittel zum Erkennen eines
Fehlers durch Auswertung der Frequenzanalyse vorgesehen sind.
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Der
zeitliche Verlauf des Gasdruckes kann in einer Variante A zwischen
einer Sekundärluftpumpe und
einem Sekundärluftventil
oder in einer Variante B zwischen dem Sekundärluftventil und einem Katalysator
erfasst werden. Dabei hat Variante A den Vorteil, dass der Drucksensor
geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Variante B hat
demgegenüber
den Vorteil, dass die Signale leichter auszuwerten sind, da die
Signale größer sind
und kleine Störungen
besser erkennbar sind.
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Die
Kurve des zeitlichen Druckverlaufs resultiert aus einer Überlagerung
von verschiedenen Einflüssen.
Dabei ist der Haupteinfluss natürlich
der Verbrennungsprozess in den Zylindern der Brennkraftmaschine
des Kraftfahrzeuges sowie die Geometrie des Abgassystems. Dazu kommt
eine Überlagerung durch
die Sekundärluftzufuhr
und weitere Überlagerungen
durch weitere Einflussgrößen. Eine
dieser weiteren Einflussgrößen kann
dabei ein Leck im Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Katalysator sein.
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Eine
Frequenzanalyse des zeitlichen Verlaufes des Gasdruckes erlaubt
es, die verschiedenen, voneinander überlagerten, Einflussgrößen zu trennen.
Damit kann eine Veränderung
im zeitlichen Verlauf der Kurve nach erfolgter Frequenzanalyse einer sie
verursachenden Einflussgröße zugeordnet
werden. Da bereits kleinste Löcher
den zeitlichen Verlauf des Gasdruckes verändern, ist die Vorrichtung
geeignet, selbst kleinste Löcher
und Undichtigkeiten im Sekundärluftsystem
zu erkennen.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen und Messkurven. Im Folgenden wird anhand der
Zeichnung und Messkurven die Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 zwei
Druckpulsationskurven,
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3 eine
Darstellung der Abhängigkeit
des mittleren Gasdruckes vom Luftmassendurchsatz,
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4 verschiedene
frequenzanalysierte Gasdruckkurven.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahren.
In Block 1 wird der Druck im Abgassystem erfasst. Dazu
ist beispielsweise in einem Bereich zwischen Sekundärluftpumpe
und Katalysator ein Drucksensor vorgesehen. Der Drucksensor erfasst
den zeitlichen Verlauf des Gasdrucks. Dazu wird der Gasdruck kontinuierlich
oder diskontinuierlich erfasst. Es können auch mehrere Drucksensoren
zur Gasdruckerfassung vorgesehen sein.
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In
der einfachsten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Ergebnis der Druckerfassung in Block 5 einer Frequenzanalyse zugeführt. Diese
Frequenzanalyse kann als Fourieranalyse oder dergleichen ausgeführt sein.
Ebenso können
auch mathematisch einfachere Analyseverfahren eingesetzt werden.
Schließlich
wird der höchste
Peak der Frequenzanalyse ermittelt und sein maximaler Wert pmax
festgestellt.
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In
Block 6 wird pmax mit einer Schwelle S_pmax verglichen.
Diese Schwelle ist abhängig
von der Ausführung
des Abgassystems und Motors und wird für jedes Fahrzeug bzw. jede
Ausführung
individuell festgelegt.
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Ist
pmax kleiner als S_pmax so liegt ein Leck vor. In diesem Fall wird
in Block 7 erfasst, dass ein Leck im Sekundärluftsystem
vorliegt. Diese Information kann auch extern auslesbar sein.
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Ist
pmax größer als
S_pmax so liegt kein Leck vor. In diesem Fall wird in Block 7 erfasst,
dass das Sekundärluftsystem
fehlerfrei (ok) ist. Diese Information kann auch extern auslesbar
sein.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens sind
den Blöcken 5 bis 8 die
Blöcke 1 bis 4 vorangestellt.
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Durch
die Blöcke 1 bis 4 wird überprüft, ob die
Sekundärluftpumpe
ordnungsgemäß arbeitet.
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In
Block 2 wird aus den Daten der Druckwerterfassung des Blockes 1 ein
gleitender Mittelwert pmitt des Druckes ermittelt. Dabei bedeutet
gleitender Mittelwert, dass der Mittelwert immer wieder neu berechnet
wird, wobei die Werte zur Mittelwertberechnung in einem Zeitintervall
liegen, welches bei jeder Mittelwertberechnung um die seit der letzen
Berechnung verstrichene Zeit verschoben wird.
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Die
Länge des
Zeitintervalls wird typischerweise so gewählt, dass sie einer Zeit entspricht,
die der Motor bei der aktuellen Motordrehzahl benötigt, um
die Kurbelwelle um einen Winkel von 720° zu drehen.
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In
Block 3 wird der aktuelle Mittelwert pmitt mit einem Schwellwert
S_pmitt verglichen. Wird der Schwellwert unterschritten, so ist
die Sekundärluftpumpe
fehlerhaft.
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Ist
pmitt kleiner als S_pmitt, so liegt ein Fehler der Sekundärluftpumpe
vor. In diesem Fall wird in Block 4 erfasst, dass ein Fehler
in der Sekundärluftpumpe
vorliegt. Diese Information kann auch extern auslesbar sein.
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Ist
pmitt größer als
S_pmitt, so liegt kein Fehler vor. In Block 5 wird entsprechend
erfasst, dass das Sekundärluftsystem
fehlerfrei arbeitet. Diese Information kann in einer Ausführungsform
auch extern ausgelesen werden.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Blöcke 2 und 3 zwischen
Block 1 und Block 5 angeordnet. Es sind aber auch
andere Ausführungsformen
der Erfindung möglich.
Beispielsweise können
die Blöcke 2 bis 4 nach
Block 6 angeordnet sein. Insbesondere können die Blöcke 2 und 3 zwischen
Block 6 und Block 8 angeordnet sein.
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Die
Blöcke 2 bis 4 können in
einer alternativen Ausführungsform
auch den Blöcken 5 bis 8 nachgeordnet
sein.
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2 zeigt
den zeitlichen Gasdruckverlauf an einem Drucksensor. Dabei zeigt
Kurve 9 den Druckverlauf an einem Drucksensor, der zwischen Sekundärluftpumpe
und Sekundärluftventil
in der Nähe
des Sekundärluftventils
angeordnet ist. Kurve 10 zeigt den Druckverlauf an einem
Drucksensor, der zwischen Sekundärluftventil
und Katalysator angeordnet ist. Dabei ist erkennbar, dass am Messort
der Kurve 10 die Druckpulsationen deutlich ausgeprägter sind
als am Messort der Kurve 9. Dabei wird unter Druckpulsationen
die zeitliche Veränderung
des Gasdruckes am Messort verstanden.
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3 zeigt,
wie sich der Massendurchsatz der Sekundärluftpumpe auf den gemittelten
Gasdruck am Messort auswirkt. Dabei ist der Gasdruck über ein
in seiner Breite fest gewähltes
gleitendes Intervall gemittelt. Diese fest gewählte Breite beträgt typischerweise
720° Kurbelwellenwinkelumdrehung, kann
aber auch anders gewählt
werden (z.B. 360° Kurbelwellenwinkel
oder feste Zeitintervalle). Dabei kann das Zeitintervall, welches
benötigt
wird, um die Kurbelwelle um einen Winkel von 720° zu drehen, abhängig von
der Drehzahl des Motors, unterschiedlich lang sein.
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3 zeigt,
dass der mittlere Gasdruck pmitt am Messort bei sinkendem Massendurchsatz
der Sekundärluftpumpe
sinkt. Ein Fehler in der Sekundärluftpumpe
kann also anhand des mittleren Gasdruckes pmitt am Messort erkannt
werden. Es kann dazu eine Schwelle S_pmitt für den mittleren Gasdruck pmitt gewählt werden,
unterhalb derer die Sekundärluftpumpe
als fehlerhaft erkannt wird.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung verschiedener frequenzanalysierter
Gasdruckkurven. Als Datenbasis zur Durchführung der Frequenzanalyse wird
bevorzugt das Messwerteintervall betrachtet, dass auch zur Berechnung
des gleitenden Mittelwertes gewählt
wurde. Das Ergebnis der Frequenzanalyse zeigt ein Hauptmaximum,
einen begrenzten Frequenzbereich, dem ein besonders hoher Druck
zugeordnet ist. Solche Maxima werden in der vorliegenden Druckschrift
auch als Peak bezeichnet. Weitere Nebenpeaks liegen außerhalb
des in 4 dargestellten Frequenzbereichs. In 4 sind
verschiedene Kurven 11 bis 15 dargestellt.
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Kurve 11 zeigt
den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei 100 arbeitender
Sekundärluftpumpe.
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Kurve 12 zeigt
den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei auf 64% reduziertem Luftmassendurchsatz
der Sekundärluftpumpe.
Da der geringere Luftmassendurchsatz der Sekundärluftpumpe die vom Motor verursachten
Druckschwankungen weniger dämpft,
ist der Hauptpeak gegenüber
dem der Kurve 11 erhöht.
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Kurve 13 zeigt
den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei auf 47% reduziertem Luftmassendurchsatz
der Sekundärluftpumpe.
Da der geringere Luftmassendurchsatz der Sekundärluftpumpe die vom Motor verursachten
Druckschwankungen weniger dämpft,
ist der Hauptpeak gegenüber
dem der Kurve 11 und der Kurve 12 erhöht.
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Kurve 14 zeigt
den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei 100 arbeitender
Sekundärluftpumpe
bei Vorliegen einer Undichtigkeit zwischen Sekundärluftventil
und Katalysator. Der Peak ist weniger hoch als bei den Kurven 11 bis 13.
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Kurve 15 zeigt
den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei 100 arbeitender
Sekundärluftpumpe
bei vorliegen einer Undichtigkeit zwischen Sekundärluftpumpe
und Sekundärluftventil. Der
Peak ist weniger hoch, als bei den Kurven 11 bis 13.
Der Vergleich zwischen Kurve 14 und Kurve 15 zeigt,
dass eine Undichtigkeit nach dem Sekundärluftventil die Peakhöhe etwas
weniger beeinflusst als eine Undichtigkeit vor dem Sekundärluftventil.
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Das
Verfahren kann auch an einem anderen als dem höchsten Peak durchgeführt werden
(Nebenpeak). Dabei muss sichergestellt werden, dass auch nur der
diesem Nebenpeak entsprechende Frequenzbereich betrachtet wird.
Die Schwelle ist dann entsprechend niedriger festzulegen.
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Wie
in 4 dargestellt, ist die Schwelle S_pmax so zu wählen, dass
der höchste
Peak bei 100 arbeitender Sekundärluftpumpe
immer sicher oberhalb dieser Schwelle S_pmax ist. Unterschreitet der
Peak diese Schwelle, wird eine Undichtigkeit des Sekundärluftsystems
erkannt. Dabei gilt der gesamte Bereich zwischen Sekundärluftpumpe
und Katalysator als Teil des Sekundärluftsystems.
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In
Erweiterung der Erfindung ist es denkbar eine Schwelle S2_pmax oberhalb
des Peaks der Kurve 11 einzuführen. Wenn diese Schwelle überschritten
wird, gilt die Sekundärluftpumpe
als fehlerhaft. Damit würde
diese Schwelle S2_pmax in ihrer Funktion der Schwelle S_pmitt entsprechen.
Sie kann als zusätzliche
Absicherung der Schwelle s_pmitt dienen.
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Alternativ
kann die Schwelle S2_pmax auch die Schwelle S_pmitt ersetzen. In
diesem Fall entfällt Block 2 der 1.
Block 3 wird Block 5 nachgeordnet und überprüft nunmehr,
ob pmax > S2_pmax
ist.
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Sind
zwei unabhängige
Abgassysteme vorhanden, beispielsweise bei einem V-Motor, so weist jedes
Abgassystem einen Drucksensor auf und die Auswertung für die beiden
Abgassysteme erfolgt unabhängig
voneinander.