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Stand der Technik
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Aufgrund
der zunehmenden Komplexität der in Fahrzeugen eingesetzten
Systeme und Komponenten ist eine hohe Diagnosetiefe in Verbindung
mit einer schnellen und erfolgreichen Fehlersuche in Service-Werkstätten
erforderlich. Im Mittelpunkt stehen hierbei insbesondere das Kraftstoffeinspritzsystem
sowie zunehmend auch das Luft- bzw. Abgassystem eines Fahrzeuges.
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So
sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Sensorsysteme zur Überwachung
der Funktionalität von in Kraftfahrzeugen eingesetzten
Brennkraftmaschinen bekannt. Als Beispiel sind hierbei die so genannten
Lambdasonden zu erwähnen, welche seit ca. 30 Jahren in
Abgassystemen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden und welche
entscheidend zur Verbesserung der Abgasqualität von Kraftfahrzeugen
beigetragen haben. Verschiedene Typen derartiger Lambdasonden sind
bekannt und sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren
im Kraftfahrzeug, Juni 2001, Seiten 112 bis 117 beschrieben.
Derartige Sensoren basieren auf einer elektrochemischen Messung
einer Sauerstoffkonzentration und werden beispielsweise für
eine Regelung der Brennkraftmaschine im Betrieb des Kraftfahrzeugs
eingesetzt.
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Die
bekannten Sensorsysteme und Diagnosesysteme sind jedoch in der Regel
lediglich ausgestaltet, um einen Betrieb der Brennkraftmaschine
zu regeln bzw. zu optimieren. Objektive Verfahren und Systeme zur
Detektion von Fehlern in der Motorfunktion, insbesondere zur Detektion
einer fehlerhaften oder ganz ausbleibenden Einspritzmenge an einem Zylinder,
sind jedoch aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Derartige
Fehler im Einspritzverhalten der Brennkraftmaschine können
sich beispielsweise durch einen Verschleiß oder eine Drift
von Einspritzkomponenten ergeben. Bekannte Verfahren zur Untersuchung
der Einspritzmenge basieren lediglich auf subjektiven Beurteilungen,
wie beispielsweise der Veränderung des Verbrennungsgeräuschs.
Eine derartige sub jektive Auswertung muss jedoch in der Regel von
einem erfahrenen Ingenieur oder Mechaniker durchgeführt
werden, welcher über umfangreiche Erfahrung auf diesem
Gebiet verfügt. Weiterhin müssen die Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine bei dieser Art von Auswertung sehr sorgfältig
eingestellt sein, da sich der zu diagnostizierende Fehler unter
verschiedenen Betriebsbedingungen unterschiedlich auswirken kann
und es daher zu einer Fehldiagnose kommen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher eine Vorrichtung zur Diagnose von Fehlfunktionen im Einspritzsystem
einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen
Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermeidet
und insbesondere eine objektive Diagnose von Fehlfunktionen im Einspritzsystem
einer Brennkraftmaschine ermöglicht. Dadurch lassen sich
System- und Komponentenfunktionen des Einspritzsystems von Brennkraftmaschinen
objektiv und zuverlässig untersuchen. Die vorgeschlagene,
von der Vorrichtung durchgeführte Diagnosemethode vermeidet
subjektive Beurteilungskriterien und führt somit zu einer
hohen Reproduzierbarkeit der Diagnose. Ein Ausbau der zu diagnostizierenden
Komponenten kann insbesondere vermieden werden. Weiterhin ist die
Vorrichtung prinzipbedingt nicht eingeschränkt auf spezielle
Arten von Einspritzsystemen.
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Die
vorgeschlagene Vorrichtung umfasst mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit,
welche eingerichtet ist, um die Brennkraftmaschine in mindestens
einem vorgegebenen Diagnose-Betriebszustand zu betreiben. Dabei
wird von der Steuer- und Auswerteeinheit mindestens ein Signal mindestens
eines im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors
verarbeitet und aus diesem Signal unter Berücksichtigung
des vorgegebenen Diagnose-Betriebszustandes auf eine Fehlfunktion
des Einspritzsystems geschlossen.
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Bei
dem Sauerstoffsensor kann es sich insbesondere um einen Sauerstoffsensor
zur Messung eines Sauerstoff-Partialdrucks handeln, vorzugsweise
um eine oder mehrere der oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik
bekannten Lambdasonden. Verschiedene Arten von Lambdasonden können eingesetzt
werden, insbesondere Sprungsonden oder vorzugsweise Breitbandsonden.
Es können sowohl Signale der bereits serienmäßig
in Fahrzeugen verbauten Lambdasonden eingesetzt werden als auch,
alternativ oder zusätzlich, von Lambdasonden, welche mobil
ausgestaltet sind und, beispielsweise im Rahmen einer Werkstattdiagnose,
vorübergehend in das Abgassystem der Brennkraftmaschine
eingebracht bzw. mit diesem verbunden werden können. Letzteres
bietet sich insbesondere an, wenn eine entsprechende Lambdasonde
nicht serienmäßig im Abgasstrom vorgesehen ist.
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Insbesondere
ist die Vorrichtung vorzugsweise eingerichtet, um Signale des Sauerstoffsensors mit
Vergleichsdaten bzw. Sollsignalen zu vergleichen. Beispielsweise
kann es sich bei diesen Sollsignalen um Vergleichsdaten von Motoren
mit bekanntem Einspritzverhalten bzw. bekannter Funktion handeln,
oder auch um Vergleichsdaten von Brennkraftmaschinen, bei welchen
gezielt bestimmte Fehlfunktionen vorgegeben wurden. Alternativ oder
zusätzlich zu dem Vergleich mit Sollsignalen können
jedoch auch andere Verfahren zur Auswertung der Signale des Sauerstoffsensors
herangezogen werden. So können beispielsweise Korrelationen
mit weiteren Signalen durchgeführt werden, oder es kann
eine analytische oder semiempirische Auswertung erfolgen, wie beispielsweise
eine Fourieranalyse der Signale, beispielsweise um gezielt nach
bestimmten Frequenzanteilen zu suchen. Auch andere Auswertungsalgorithmen
lassen sich einsetzen und sind dem Fachmann bekannt.
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Dabei
können statische Signale verarbeitet werden, oder es kann
auch ein zeitlicher Verlauf eines Signals mit einem zeitlichen Sollsignalverlauf verglichen
werden. So kann beispielsweise der Diagnose-Betriebszustand eine
zeitliche Abfolge mehrerer Betriebszustände umfassen, mit
einem oder mehreren Wechseln von Betriebszuständen, wobei
der zeitliche Verlauf des Sauerstoffsignals aufgenommen und mit
vorgegebenen Sollsignalverläufen verglichen wird. Durch
Abweichung von Sollsignalen bzw. Ähnlichkeit mit vorgegebenen
bestimmten Sollsignalen (beispielsweise bekannten Fehlersignalen)
kann hieraus beispielsweise auf eine Fehlfunktion in einem bestimmten
Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einem einzelnen
Kraftstoffinjektor, geschlossen werden.
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Insbesondere
kann die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet sein, um periodische
Modulationen in einem Signalverlauf des Signals des Sauerstoffsensors
zu detektieren und mit einer Motordrehzahl zu korrelieren. Insbesondere
kann dabei ein Drehzahlsignal eines Drehzahlsensors der Brennkraftmaschine
verarbeitet werden. So können beispielsweise gezielt periodisch
wiederkehrende Signalanteile mit einem ganzzahligen Vielfachen oder
einem ganzzahligen Bruchteil der Drehzahl der Brennkraftmaschine
gezielt im Signalverlauf des Sauerstoffsensors detektiert werden,
beispielsweise automatisch, beispielsweise unter Einsatz bestimmter
Filtertechniken wie zum Beispiel von Bandpassfiltern. Wenn vorzugsweise
zusätzlich die Motorphase berücksichtigt wird,
können auf diese Weise die Signalanteile gezielt bestimmten
Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordnet werden. Weiterhin kann
aus der beschriebenen Korrelation der periodischen Modulationen
mit der Drehzahl eine Plausibilitätsbetrachtung der Fehlerdetektion
durchgeführt werden, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.
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Der
oben beschriebene Diagnose-Betriebszustand kann einen statischen
oder auch einen zeitlich veränderbaren Betriebszustand
der Brennkraftmaschine umfassen. Insbesondere können einer oder
mehrere der folgenden Betriebsmodi umfasst sein:
- – mindestens
ein Einspritzventil, vorzugsweise genau ein Einspritzventil, der
Brennkraftmaschine wird derart angesteuert, dass dieses mit von
den anderen Einspritzventilen abweichenden Betriebsparametern, insbesondere
abweichenden Ansteuersignalformen, beaufschlagt wird;
- – mindestens ein Einspritzventil, vorzugsweise genau
ein Einspritzventil, der Brennkraftmaschine wird derart angesteuert,
dass dieses ausschließlich eine Teileinspritzung durchführt,
insbesondere eine Voreinspritzung und/oder eine Haupteinspritzung
und/oder eine Nacheinspritzung.
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Durch
dieses gezielte Beeinflussen einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine
und die Beobachtung der Änderung des Sauerstoffsignals
in Folge dieser gezielten Einflussnahme kann eine objektive Diagnose
durchgeführt werden, ohne die entsprechenden Komponenten
ausbauen zu müssen. So kann insbesondere eine vollständige
Abschaltung der Einspritzung eines einzelnen oder mehrerer Einspritzventile
erfolgen, also eine Ansteuerung, bei der die Ansteuerdauern für
alle Teileinspritzungen auf Null gesetzt werden.
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Die
Steuer- und Auswerteeinheit kann als eine einzelne, zentrale Einheit
oder alternativ als dezentrale Einheit mit mehreren separaten Komponenten
ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Steuer- und Auswerteeinheit
einen Computer, beispielsweise einen Mikrocomputer umfassen, welcher
programmtechnisch eingerichtet ist, um die oben beschriebenen Funktionen
durchzuführen. Dieser Computer kann insbesondere über
einen oder mehrere flüchtige oder nichtflüchtige
Datenspeicher verfügen, in welchen beispielsweise die genannten
Sollsignale hinterlegt sein können. Auch entsprechende
Eingabe- und Ausgabemittel, insbesondere Schnittstellen, graphische
Ausgabegeräte oder Ähnliches können vorgesehen
sein.
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So
kann beispielsweise die Steuer- und Auswerteeinheit in einem Diagnosemodul
umfasst sein, welches im Fahrzeug integriert sein kann oder vorzugsweise
mobil bzw. werkstattgebunden ausgestaltet sein kann. Dieses Diagnosemodul
kann eingerichtet sein, um mittels einer Schnittstelle mit der Brennkraftmaschine
und/oder einem Motorsteuerungsgerät der Brennkraftmaschine
verbunden zu werden. Das Diagnosemodul kann beispielsweise mit entsprechenden
mechanischen und/oder elektrischen Schnittstellen ausgebildet sein,
um in einen Kraftfahrzeugprüfstand in einer Kraftfahrzeugwerkstatt
integriert zu werden. Das Diagnosemodul kann beispielsweise mit
einer graphischen Ausgabeeinheit zur Darstellung von Diagnoseergebnissen
ausgestattet sein, sowie mit einer Eingabeeinheit (beispielsweise
einer Tastatur oder ähnlichen, dem Fachmann bekannten Eingabemitteln),
sowie entsprechenden Vorgabemöglichkeiten, um es einem
Benutzer zu ermöglichen, gezielt Diagnosebedingungen (beispielsweise
im Rahmen vorgegebener oder benutzerdefinierter Diagnoseprogramme
auszuwählen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Diagnose von Fehlfunktionen im Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine;
und
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2a und 2b Signalbeispiele
der Vorrichtung gemäß 1 bei normal
funktionierender Brennkraftmaschine (2a) bzw.
bei fehlender Einspritzung auf einem Zylinder der Brennkraftmaschine (2b).
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 110 zur
Diagnose von Fehlfunktionen im Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine 112 schematisch
dargestellt. Die Vorrichtung 110 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
eine Steuer- und Auswerteeinheit 114, welche beispielsweise
Bestandteil eines Diagnosemoduls sein kann, sowie eine Lambdasonde 116,
welche im Abgassystem 118 der Brennkraftmaschine 112 angeordnet
ist. Beispielsweise kann die Lambdasonde 116 als Breitband-Lambdasonde
ausgestaltet sein und kann beispielsweise in räumlicher
Nähe zu einem Katalysator im Abgassystem 118 angeordnet
sein. Für die Ausgestaltung der Steuer- und Auswerteeinheit 114 sei auf
die obige Beschreibung verwiesen.
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Die
Steuer- und Auswerteeinheit 114 ist über eine
Signalleitung 120 mit der Lambdasonde 116 verbunden,
beispielsweise über eine serienmäßig
vorgegebene Diagnoseschnittstelle eines Kraftfahrzeuges. Auf diese
Weise kann die Steuer- und Auswerteeinheit 114 Signale
der Lambdasonde 116 empfangen.
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Weiterhin
ist die Steuer- und Auswerteeinheit 114 über eine
Ansteuerleitung 122 direkt oder indirekt mit der Brennkraftmaschine 112 verbunden.
Beispielsweise kann diese Ansteuerleitung 122 wiederum
eine werkseitig vorgegebene Diagnoseschnittstelle eines Kraftfahrzeugs
umfassen. Unter "Leitung" ist hierbei, wie auch im Falle der Signalleitung 120,
jede mögliche Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Signal-
und/oder Energieübertragung zu verstehen, insbesondere
ein- oder mehrkanalige Drahtleitungen oder, alternativ oder zusätzlich,
auch Einrichtungen zur drahtlosen Datenübertragung.
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Die
Brennkraftmaschine 112 kann beispielsweise ein (in 1 nicht
dargstelltes) Motorsteuerungsgerät umfassen, auf welches über
die Ansteuerleitung 122 zugegriffen werden kann. Auf diese Weise
kann der Brennkraftmaschine 112 einer der oben beschriebenen
Diagnose-Betriebszustände vorgegeben werden. Auch müssen
Signalleitung 120 und Ansteuerleitung 122 nicht
notwendigerweise getrennte Leitungen bzw. Schnittstellen sein, sondern es
kann sich beispielsweise um eine einzelne Schnittstelle handeln,
welche die Steuer- und Auswerteeinheit 114 beispielsweise
mit dem Motorsteuerungsgerät der Brennkraftmaschine 112 verbindet.
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Zur
Diagnose eines Einspritzsystems der Brennkraftmaschine 112 wird
mittels der Lambdasonde 116 der Sauerstoffpartialdruck
in einem Abgas 124 in dem Abgassystem 118 unter
verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 112 gemessen
und in der Steuer- und Auswerteeinheit 114 beispielsweise
mit bekannten Werten und Verläufen (hier ohne Beschränkung
der Allgemeinheit als "Sollwert" bezeichnet) verglichen.
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Wird
aufgrund eines Komponentenfehlers (zum Beispiel durch Drift oder
Verschleiß eines Common-Rail-Injektors) beispielsweise
bei einem Zylinder der Brennkraftmaschine 112 kein Kraftstoff
eingespritzt, so liefert dieser Zylinder anstelle von Verbrennungsabgasen
Umgebungsluft in das Abgassystem 118 der Brennkraftmaschine 112.
Hierdurch erhöht sich, periodisch mit einer zur Motordrehzahl
der Brennkraftmaschine 112 korrelierenden Frequenz, der
Sauerstoffpartialdruck im Abgas 124. Diese Erhöhung
kann über die Lambdasonde 116 detektiert werden.
Durch eine Korrelation dieses periodischen Signals mit der Motordrehzahl
(beispielsweise mittels eines oder mehrerer elektronischer oder
programmtechnischer Filter in der Steuer- und Auswerteeinheit 114)
ist zusätzlich noch eine Plausibilisierung des eigentlichen
Nutzsignals mit dem Signal des Drehzahlsensors der Maschine möglich,
um Fehlinterpretationen ausschließen zu können.
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Wie
oben beschrieben, kann die Steuer- und Auswerteeinheit 114 der
Brennkraftmaschine gezielt Diagnose-Betriebszustände vorgeben.
Beispielsweise können dadurch gezielt be stimmte Teileinspritzungen
(Vor-, Haupt-, Nacheinspritzung) auf einem oder mehreren Zylindern
eingeschaltet, verändert oder ausgeschaltet werden (zum
Beispiel durch Veränderung der elektrischen Ansteuerung
der Einspritzventile mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 114).
Die hierdurch hervorgerufenen Änderungen des Sauerstoffpartialdrucks
im Abgas 124 werden dabei untersucht. Aus diesen Messergebnissen
kann ebenfalls eine Aussage über das System- oder Komponentenverhalten
getroffen werden.
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Wie
oben beschrieben kann die Vorrichtung 110 dabei als im
Kraftfahrzeug integrierte Vorrichtung ausgestaltet sein oder auch
als separate, beispielsweise werkstattgebundene Vorrichtung. Die
Vorrichtung kann selbst die Lambdasonde 116 als mobile Lambdasonde
umfassen, oder es können auch serienmäßig
im Kraftfahrzeug integrierte Lambdasonden genutzt werden.
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In
den 2a und 2b sind
Beispiele von Signalverläufen bei verschiedenen Betriebsbedingungen
dargestellt. In beiden Fällen ist dabei der Quotient aus
dem Sauerstoff-(O2-)Partialdruck und dem
Gesamtdruck dimensionslos als Funktion der Zeit t in Sekunden aufgetragen.
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2a zeigt
einen zeitlichen Verlauf einer normalen Einspritzung auf allen Zylindern
der Brennkraftmaschine 112. Dabei wird zum Zeitpunkt 210 durch
die Steuer- und Auswerteeinheit 114 über die Ansteuerleitung 122 ein
neuer Satz an Betriebsbedingungen für die Brennkraftmaschine 112 vorgegeben.
In diesem Fall sind die neuen Betriebsbedingungen derart ausgestaltet,
dass die Drehzahl kontinuierlich zu steigern ist. Wie aus 2a hervorgeht, sinkt
ab diesem Zeitpunkt 210 aufgrund der Einstellung der Brennkraftmaschine 112 auf
die neuen vorgegebenen Betriebsbedingungen der Sauerstoffpartialdruck
im Abgassystem 118 kontinuierlich ab, um dann bis zu einem
erneuten Umschaltpunkt auf einem niedrigen Niveau zu verbleiben.
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In 2b ist
hingegen der Signalverlauf dargestellt, bei einer Brennkraftmaschine 112,
bei welcher "künstlich" die Einspritzung auf einem Zylinder der
Maschine ausgeschaltet wurde. Dies entspricht beispielsweise einer
Fehlfunktion der Einspritzeinrichtung dieses Zylinders.
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Wie
sich aus dem Signalverlauf in 2b ergibt,
weist das Signal zwischen den Zeitpunkten 210 und 212 zunächst
zwar einen ähnlichen Verlauf auf wie in 2a.
Hierbei ist jedoch zunächst festzustellen, dass der Absolutwert
der Signale (beispielsweise ein gemittelter Signalverlauf) um einen
Wert ΔC höher liegt als der Signalverlauf bei
der normalen Einspritzung gemäß 2a.
Dies ist, wie oben beschrieben, darauf zurückzuführen, dass
der Zylinder, in welchem keine Einspritzung stattfindet, anstelle
von Verbrennungsabgasen Umgebungsluft in das Abgassystem 118 liefert.
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Weiterhin
sind in dem Signalverlauf zwischen den Zeitpunkten 210 und 212 signifikante
Signaloszillationen 214 zu beobachten. Diese Signaloszillationen
treten bei dieser Darstellung, in welcher beispielsweise ein Sechszylinder-Viertakt-Motor
dargestellt ist, mit halber Motordrehzahl auf. Bei einer unterschiedlichen
Taktzahl sind entsprechend andere Vielfache der Motordrehzahl, beispielsweise
Oszillationen mit der ganzen Motordrehzahl (bei einem Zweitaktmotor),
zu beobachten. Letzteres, also die Korrelation mit der ganzen Motordrehzahl
bei Zweitaktmotoren, ist insbesondere im Bereich der Großdieselmotoren,
bei welchen häufig nach dem Zweitaktprinzip gearbeitet
wird, relevant. Aus der Oszillation und der Korrelation mit der
Motordrehzahl lässt sich beispielsweise die oben beschriebene
Plausibilitätsbetrachtung durchführen. Im einfachsten
Fall treten dabei die Oszillationen mit einer einzelnen Frequenz
auf, in komplexeren Fällen wäre beispielsweise
eine Analyse des Frequenzspektrums des "Oszillations"-Signals durchzuführen,
beispielsweise eine Fourier-Analyse.
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Um
die Signaloszillationen 214 optimal beobachten zu können,
wird vorzugsweise eine Lambdasonde 116 mit schneller Reaktionszeit
eingesetzt. Die in den 2a und 2b dargestellten
Beispiele wurden mit einer Breitbandsonde aufgenommen. Auch andere
Sondentypen sind jedoch prinzipiell einsetzbar.
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Weiterhin
ist, wie in 2b zu erkennen, eine Korrelation
zwischen der Amplitude der Signaloszillationen 214 und
der Drehzahl der Brennkraftmaschine 112 zu verzeichnen.
In diesem Falle, in welchem eine kontinuierliche Drehzahlsteigerung zwischen
den Zeitpunkten 210 und 212 dargestellt ist, nehmen
die Amplituden der Signaloszillationen 214 mit steigender
Drehzahl ab. Auch diese Abnahme kann beispielsweise für
eine Plausibilitätsbetrachtung oder für weitere
Auswertungen herangezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Juni 2001, Seiten 112 bis 117 [0002]