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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Fehlfunktionen
von Aktoren im Luftsystem an Brennkraftmaschinen sowie eine Vorrichtung zur
Ausführung
des Verfahrens.
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Stand der Technik
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In
Kraftfahrzeugen wird eine Vielzahl mechanischer Aktoren eingesetzt,
mit denen auf unterschiedliche Betriebsparameter des Fahrzeuges
Einfluss genommen werden kann. Zur Gewährleistung ihrer Funktionsfähigkeit
müssen
diese Aktoren überprüft werden
können.
Aufgrund der zunehmenden Komplexität der in Fahrzeugen eingesetzten
Systeme und Komponenten ist dafür
jedoch eine hohe Diagnosetiefe erforderlich. Kraftstoffeinspritzsysteme sowie
das Luft- und Abgassystem eines Fahrzeuges bilden hierbei zweifellos
einen Diagnoseschwerpunkt.
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Fehlfunktionen
von Aktoren im Luftsystem an Brennkraftmaschinen führen unerkannt
häufig
zu einer ungewollten Leistungsreduzierung, einem erhöhten Kraftstoffverbrauch,
einem überproportionalen
Ansteigen der Schadstoffemissionen sowie einer Erhöhung des
Verschleißes
verschiedener Baugruppen während
des Betriebes der Brennkraftmaschine. In Einzelfällen kann die Brennkraftmaschine
vollständig
ausfallen. Aus diesem Grunde sind Verfahren erforderlich, möglicherweise
unerkannte Fehlfunktionen von Aktoren im Luftsystem sicher diagnostizieren
zu können.
Diese Notwendigkeit ergibt sich auch vor dem Hintergrund steigender
Arbeitskosten sowie zunehmender Komplexität eingesetzter Baueinheiten in
Kraftfahrzeugen, die bei Nichterkennen eines Fehlers einer Einzelbaugruppe
gegebenenfalls vollständig
ersetzt werden müssen.
Aktoren im Luftsystem einer Brennkraftmaschine befinden sich an
verschiedenen Stellen und nehmen auf unterschiedliche Weise Einfluss
auf die Funktionsweise des Gesamtsystems, wobei diese Einflussnahme
in der Regel nicht entkoppelt von der Einflussnahme anderer Aktoren im
Luftsystem erfolgt. Dieser Umstand erschwert die Fehlersuche bezüglich Fehlfunktionen
von Aktoren im Luftsystem zusätzlich.
Daher fehlen momentan auch zuverlässige Verfahren zur Detektion
eines defekten, hängenden
oder nicht vollständig
schließenden
Aktors im Luftsystem. Derartige Aktoren finden sich beispielsweise
an der Regelklappe (RKL), in Form eines Abgasrückführventils (AGR), einer Drallklappe
(EKAS) oder zum Betrieb eines Turboladers (VTG und WG). Die dort
eingesetzten Aktoren können
im Laufe ihrer Betriebsdauer beispielsweise durch eine Verrußung oder
einen Verschleiß in
ihrer Funktionsfähigkeit
eingeschränkt
werden bzw. vollständig
ausfallen.
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Verfahren
zur Diagnostizierung derartiger Funktionsstörungen basieren derzeit lediglich
auf einem einfachen Bewegungstest, bei dem der betreffende Aktor
vollkommen geöffnet
und anschließend wieder
vollständig
geschlossen wird. Wenn möglich, wird
dieser Bewegungstest durch eine Sichtprüfung ergänzt, zu deren Beurteilung jedoch
viel Erfahrung erforderlich ist, wenn Aussagen getroffen werden
sollen, die über
das bloße
Erreichen der Endlagen hinaus gehen sollen. Eine weitere Möglichkeit
zur Fehleranalyse während
eines derartigen Bewegungstests besteht in der Beurteilung des jeweils
emittierten Geräusches
der Brennkraftmaschine, wofür
jedoch ebenfalls sehr viel Erfahrung erforderlich ist und wobei
stets eine subjektive Komponente verbleibt, die vom Begutachtenden
nie ausgeschlossen werden kann. Insbesondere indirekte Verfahren
zur Begutachtung der Funkti onsweise von Aktoren, also beispielsweise
die Geräuschanalyse,
erfolgt dabei stets am Gesamtsystem, d. h. eine Funktionsstörung eines
zu analysierenden Aktors wird in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen,
unter denen die Brennkraftmaschine betrieben wird, unterschiedliche Auswirkungen
auf das Gesamtsystem haben, wodurch in einer derart durchgeführten Analyse
gegebenenfalls Mehrdeutigkeiten verbleiben, die eine Fehlerdiagnose
zusätzlich
erschweren. Insbesondere ist es möglich, dass sich ein zu diagnostizierender Fehler
unter verschiedenen Betriebsbedingungen unterschiedlich auswirken
kann und es so zu einer Fehldiagnose kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Idee der Erfindung betrifft die Ermittlung von Fehlfunktionen von
Aktoren im Luftsystem einer Brennkraftmaschine durch ein kontinuierliches
oder ein diskretes Anfahren von mindestens zwei Ansteuerzuständen des
jeweiligen zu prüfenden
Aktors, wobei ansonsten konstante Betriebszustände des Luftsystems und der
Brennkraftmaschine beibehalten werden. Das bedeutet ein Abweichen
von der während
des Normalbetriebs der Brennkraftmaschine üblichen Art und Weise der Ansteuerung
verschiedener Aktoren, deren Funktion in der Regel aufeinander abgestimmt
ist und für
einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine sorgen soll, insbesondere
in Abhängigkeit
von verschiedenen Fahrerwunsch- und/oder Momentanforderungen. Während der
Diagnose, also während
der Ansteuerung des zu untersuchenden Aktors, wird die Änderung
des Ausgangssignals von mindestens einem Sensor, der zum Betrieb der
Brennkraftmaschine erforderlich ist, ausgewertet. Das Verfahren
provoziert also eine Systemantwort des Gesamtsystems, bestehend
aus Luftsystem und Brennkraftmaschine, bei konstant gehaltenen Ansteuerungen
und Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine und weiterer im System enthaltener Aktoren
bei ausschließlicher
Variation der Ansteuerung des zu diagnostizierenden Aktors. Der
Zugang zu dieser Systemantwort erfolgt über einen Sensor, der vorzugsweise
ohnehin im System enthalten ist und außerhalb des Diagnoseverfahrens
zum Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich ist.
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Die
Erfindung betrifft also zumindest ein Verfahren zur Ermittlung von
Fehlfunktionen von Aktoren im Luftsystem an Brennkraftmaschinen,
bei dem ein Aktor nacheinander mit mindestens zwei Ansteuerungszuständen betrieben
wird, wobei an mindestens einem Sensor, dessen Ausgangssignal vom Auslenkungszustand
des Aktors abhängt,
ein Auslesen des Ausgangssignals dieses Sensors vorgenommen wird
und aus der Antwort dieses Ausgangssignals auf die Änderung
der Ansteuerung des Aktors eine Beurteilung der Funktion des angesteuerten
Aktors vorgenommen wird, wobei während
der Ansteuerung des zu überprüfenden Aktors
zumindest die Ansteuerung derjenigen anderen im Luftsystem enthaltenen
Aktoren sowie weitere Steuersignale zum Betrieb der Brennkraftmaschine,
die Einfluss auf das Ausgangssignal des Sensors haben, konstant
gehalten werden.
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Es
ergeben sich durch das erfindungsgemäße Verfahren zahlreiche Vorteile,
wobei insbesondere hervorzuheben ist, dass es eine objektive und
zuverlässige
Diagnose von Aktoren des Luftsystems bei Brennkraftmaschinen ermöglicht,
da bisher eingesetzte subjektive Beurteilungskriterien weitgehend entfallen.
Damit verbunden ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Diagnosemethode.
Der Aufwand zur Begutachtung eventuell fehlerbehafteter Aktoren wird
wesentlich reduziert, da ein Ausbau der zu diagnostizierenden Komponenten
nicht mehr erforderlich ist. Des weiteren kommt es grundsätzlich zu
keinen prinzipbedingten Einschränkungen
auf spezielle Einspritzsysteme. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
die Gewinnung des benötigten
Ausgangssignals eines Sensors mit Hilfe der serienmäßig verbauten
Sensoren in einem Kraftfahrzeug, also beispielsweise mit einem Heißfilmluftmassenmesser
(HFM), einem Ladedruckfühler
(LDF) und/oder einer Lambdasonde (LSU) erfolgen kann. Zusätzlich oder
alternativ können
natürlich
auch temporär
eingebaute Sonden genutzt werden.
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Die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfordert mindestens eine Vorrichtung zur Ermittlung von Fehlfunktionen
von Aktoren im Luftsystem an Brennkraftmaschinen, die Mittel zur
Konstanthaltung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine sowie
im Luftsystem enthaltener Aktoren mit Ausnahme des zu prüfenden Aktors,
Mittel zur definierten Ansteuerung des zu prüfenden Aktors, Mittel zum Auslesen
des Ausgangssignals mindestens eines Sensors, dessen Ausgangssignal
von der Auslenkung des zu prüfenden
Aktors abhängt,
sowie Mittel zur Funktionsanalyse des angesteuerten Aktors auf der
Grundlage der ausgelesenen Antwort des mindestens einen Sensors
auf eine definierte Ansteuerung des zu prüfenden Aktors umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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An
einem Ausführungsbeispiel
wird die Erfindung im Folgenden erläutert. Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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2 ein
Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerung
eines zu diagnostizierenden Aktors und einem diesbezüglichen
Antwortsignal an einem zur Durchführung des Verfahrens genutzten
Sensor.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine vereinfachte schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Darin ist eine Brennkraftmaschine 1 eingebettet in ein
an sich bekanntes Luftsystem. Dieses umfasst mindestens einen Strömungsweg 2 für eine Zuführung der
für den Betrieb
der Brennkraftmaschine 1 erforderlichen Verbrennungsluft,
einen von der Brennkraftmaschine 1 wegführenden Strömungsweg 3, der im
Wesentlichen der Ausleitung des Abgases der Brennkraftmaschine 1 dient,
und einen Strömungsweg 4, über den in
unterschiedlich starkem Maße
eine zumindest teilweise Rückführung des
Abgases und dessen Einleitung in den Strömungsweg 2 zur Zufuhr
frischer Verbrennungsluft erfolgen kann. Die Steuerung des Anteils
der zurückzuführenden
Abgase und damit die Steuerung des Verhältnisses zwischen angesaugter Frischluft
und zugemischter Abgasmenge wird über ein Abgasrückführventil 5 vorgenommen.
Dieses Abgasrückführventil 5 stellt
einen Aktor im Sinne der Erfindung dar, dessen zuverlässige Funktionsweise
für den
geregelten Betrieb der betreffenden Brennkraftmaschine 1 von
großer
Bedeutung ist und dessen Funktion durch das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren
zugänglich
gemacht wird, ohne einen aufwendigen Ausbau vornehmen zu müssen. Das
dargestellte Luftsystem mit den drei Strömungswegen 2, 3, 4 umfasst
des weiteren drei Sensoren, welche während des regulären Betriebs
der Brennkraftmaschine 1 Eingangsgrößen für ein Motorsteuergerät bzw. andere
Steuergeräte
für den
geregelten Betrieb der Brennkraftmaschine 1 liefern. Diese
Sensoren sind im Einzelnen ein im Ansaugbereich für Frischluft
angeordneter Luftmassensensor 6, ein in der Nähe der Einleitung
der Verbrennungsluft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 angeordneter
Ladedruckfühler 7 sowie
abgasseitig im Strömungsweg 3 der
Abgasanlage angeordnet eine Lambdasonde 8 zur Bestimmung
des Sauerstoffpartialdruckes im Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1.
Der Ladedruckfühler 7 ist insbesondere
erforderlich, da sich beim Einsatz sogenannter Turbolader eine erhebliche
Abweichung zwischen dem Umgebungsluftdruck und dem Druck der zugeführten Verbrennungsluft
ergeben kann und die Kenntnis des Umgebungsluftdrucks allein nicht für die korrekte
Bemessung der Zylinderfüllung
ausreichend ist.
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Die
Ausgangssignale der drei Sensoren 6, 7, 8 werden
einer Steuer- und Auswerteeinheit 9 zugeführt, in
der eine Erfassung der Ausgangssignale und eine weitergehende Verarbeitung
und Auswertung erfolgen kann. Die Steuer- und Auswerteeinheit 9 ist insbesondere
in der Lage, ein Steuersignal zu generieren und an einen zu diagnostizierenden
Aktor anzulegen, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Abgasrückführventil 5 besteht.
Des weiteren verfügt die
Steuer- und Auswerteeinheit 9 über Mittel, um den Betriebszustand
der Brennkraftmaschine 1 mit Ausnahme der variablen Ansteuerung
des zu diagnostizierenden Aktors, also des Abgasrückführventils 5,
konstant zu halten. Diese Konstanthaltung umfasst auch die konstante
Ansteuerung weiterer nicht dargestellter Aktoren, die im Luftsystem
enthalten sein können,
jedoch momentan nicht Gegenstand der Diagnose sind. Wird also ein
Steuersignal an das Abgasrückführventil 5 angelegt,
durch das sich der Öffnungszustand
dieses Abgasrückführventils 5 ändert, und
wird des weiteren, wie bereits dargestellt, die Brennkraftmaschine 1 mit
ansonsten konstanten Betriebsbedingungen betrieben, so kommt es
im Ausgangssignal der einzelnen Sensoren 6, 7 und/oder 8 zu
einer auswertbaren Antwort auf die Veränderung des Öffnungszustandes
des Abgasrückführventils 5, aus
der die Funktionsweise des Abgasrückführventils 5, also
sein Reagieren auf geänderte
Steuersignale, abgeleitet werden kann. Regelmäßig wird eine Soll-Antwort
auf ein Ändern
des Öffnungszustandes eines
Aktors bekannt sein, in der sich die herstellerseitig vorgesehene
Funktionsweise des zu diagnostizierenden Aktors widerspiegelt. Treten
Abweichungen des Ausgangssignals des jeweils betrachteten Sensors
von dieser Soll-Antwort
auf, deutet das auf einen Fehler im Funktionsverhalten des diagnostizierten
Aktors hin, der entsprechend protokolliert bzw. angezeigt werden
kann, wenn die Abweichung einen Schwellwert übersteigt. Die Steuer- und
Auswerteeinheit 9 kann als Teil des Motorsteuergerätes ausgelegt
sein, der über
eine entsprechende Schnittstellen mit Diagnosetools verbunden werden
kann. Alternativ kann die Steuer- und Auswerteeinheit 9 auch
in einem separaten Diagnosegerät
untergebracht sein, das mit dem Kraftfahrzeug nur zu Prüfzwecken
verbunden wird.
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2 zeigt
ein Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerung
eines zu diagnostizierenden Aktors und einem diesbezüglichen
Antwortsignal an einem zur Durchführung des Verfahrens genutzten
Sensor. Als zu diagnostizierender Aktor wurde das Abgasrückführventil 5 gewählt. Um
verschiedene Öffnungszustände des
Abgasrückführventils 5 zu
bewirken, wird ein Steuersignal mit einem variablen Tastverhältnis TV angelegt.
Die Änderung
des Tastverhältnisses
TV erfolgt in diskreten Schritten, zwischen denen jeweils eine kurze
Plateauphase gehalten wird. Dadurch ergibt sich der dargestellte
treppenförmige
Verlauf. Die Variation des Tastverhältnisses TV erfolgt dabei in
einem Bereich zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert.
Als Minimalwert dient ein Tastverhältnis TV, bei dem das Abgasrückführventil 5 vollständig geschlossen
ist. Zur Vereinfachung kann dazu auf eine Ansteuerung ganz verzichtet
werden, was einem Tastverhältnis
TV von 0% entspricht. Als Maximalwert dient ein Tastverhältnis TV,
bei dem sich eine konstruktiv bedingte vollständige Öffnung des Abgasrückführventils 5 einstellt,
wenn dieses fehlerfrei arbeitet.
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Der
gesamte Bereich zwischen Minimalwert und Maximalwert des Tastverhältnisses
TV wird in beiden Richtungen durchlaufen, wodurch unabhängig voneinander
das Öffnungs-
bzw. Schließverhalten
des Abgasrückführventils 5 erschlossen
und gegebenenfalls auftretende Hystereseeffekte, die auf partielle
Funktionsstörungen
in Abhängigkeit
vom Trend der Ansteuerung und dem Grad der Öffnung des Abgasrückführventils 5 hinweisen
würden,
sicher erfasst werden können.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens wird der Luftmassensensor 6 in Form eines
Heißfilmluftmassenmessers
(HFM) genutzt. Dieser erzeugt als Ausgangssignal ein dem Luftmassenstrom,
der den Luftmassensensor 6 passiert, proportionales Signal.
Der Luftmassenstrom hängt
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, insbesondere
ihrer Drehzahl und gegebenenfalls dem Grad der Aufladung während des
Betriebs eines Turboladers sowie dem Anteil von in die Verbrennungsluft
eingeleitetem Abgas der Brennkraftmaschine 1 ab. Wird erfindungsgemäß der Betriebszustand
der Brennkraftmaschine 1 während der Durchführung des
erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens
konstant eingestellt und als mögliche Änderung
nur die Änderung
der Ansteuerung des zu diagnostizierenden Aktors, also des Abgasrückführventils 5,
freigegeben, so hängt
der den Luftmassensensor 6 passierende Luftmassenstrom
nur noch vom Öffnungszustand
des Abgasrückführventils 5 ab.
Die sich somit einstellende eindeutige Abhängigkeit zwischen dem Ausgangssignal
des Luftmassensensors 6 und dem Öffnungszustand des Abgasrückführventils 5 ermöglicht es,
die Art der Abhängigkeit zwischen
dem Öffnungszustand
des Abgasrückführventils 5 und
dem am Abgasrückführventil 5 anliegenden
Steuersignal, vorliegend also dem Tastverhältnis TV, zu ermitteln. Eine Sollabhängigkeit,
die bei einem fehlerfreien Funktionieren des Abgasrückführventils 5 vorliegen
muss, ist aus Spezifikationen bzw. konstruktiven Gegebenheiten bekannt.
Die erfindungsgemäße Erfassung
der tatsächlichen
Abhängigkeit
des Öffnungszustandes
des Abgasrückführventils 5 vom
anliegenden Tastverhältnis
TV ermöglicht
eine problemlose Erfassung eventueller Abweichungen von der Sollabhängigkeit
und eine erste Zuordnung derartiger Abweichungen zu auftretenden Fehlern
im Öffnungsverhalten
des Abgasrückführventils 5.
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Das
Ausgangssignal des Luftmassensensors 6 spiegelt also eine
Systemantwort auf eine Änderung
der Ansteuerung des zu diagnostizierenden Aktors wider, zu deren
Voraussetzungen eine Konstanthaltung aller weiteren Einflussgrößen auf
den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, die das Ausgangssignal
des Luftmassensensors beeinflussen, gehört. Durch einen Wechsel zwischen
diskreten Änderungen
des Steuersignals und darauf folgenden Plateauphasen lässt sich
diese Systemantwort besonders vorteilhaft analysieren. Insbesondere eine
genaue Kenntnis der Reaktion des entsprechenden Aktors auf relativ
kleine Änderungen
des Steuersignals während
bereits bestehender Teilaussteuerungen ist für eine fehlerfreie Funktionsfähigkeit
komplex angesteuerter Brennkraftmaschinen erforderlich und nur durch
das erfindungsgemäße Verfahren
zu erlangen.
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Wird
beim Verändern
der Ansteuerung, also des Tastverhältnisses TV eines Aktors aufgrund
eines Aktorfehlers, beispielsweise eines hängenden Abgasrückführventils 5 eine
zu große
oder zu kleine Veränderung
des mit einem Sensor gemessenen Wertes, beispielsweise in Form des
HFM-Signals, festgestellt, so kann entweder ein Fehler gemeldet oder
ein Fehlerzähler
inkrementiert werden, der dann wiederum bei einer Überschreitung
eines vorgegebenen Wertes einen Fehler meldet, was gegebenenfalls den
Austausch des fehlerhaften Aktors erfordert.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird ein gefiltertes Ausgangssignal (dargestellt als gestrichelte
Linie) des Luftmassensensors 6 ausgewertet, was zur Entkopplung
von Vibrationen und/oder elektronischen Störungen vorteilhaft sein kann.
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Die
Filterung erfolgt dabei in einer Weise, die dafür sorgt, dass eine im Ausgangssignal
des Luftmassensensors 6 erfolgende Antwort auf eine Änderung
der Ansteuerung des Abgasrückführventils 5 quantitativ
und qualitativ erfassbar bleibt. Im Fall der beispielhaften diskreten Änderung
der Ansteuerung zeigt sich das in einer deutlichen Abschwächung der jeweiligen Änderung
des Ausgangssignals des Luftmassensensors 6 am Ende der
jeweiligen Plateauphase des Tastverhältnisses TV. Zum Vergleich
ist in Form einer durchgezogenen Linie der Ideal- oder Sollverlauf
des Ausgangssignals des Luftmassensensors 6 dargestellt.
Kurvenbereiche des tatsächlich
gemessenen Ausgangssignals, die auf ein Rückschwingen 10, eine
verzögerte
Ventilantwort 11 oder ein Überschwingen 12 des
Abgasrückführventils 5 hinweisen,
sind somit besonders leicht zu erkennen und dem jeweiligen Tastverhältnis zuzuordnen.
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Alternativ
zum dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die Änderung
der Ansteuerung des zu prüfenden
Aktors, also beispielsweise das Tastverhältnis TV, auch kontinuierlich
ohne Plateauphasen ohne gemäß entsprechend
auf besondere Funktionsfehler zugeschnittener Verläufe variert
werden. Die beispielhafte Verfahrensweise ist ohne große Änderungen
auf eine Überprüfung eines
Aktors an einer Regelklappe, an einer Drallklappe, und/oder an einem
Turbolader übertragbar.
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Durch
die Korrelation und Auswertung von mindestens zwei Sensoren ist
es auch denkbar, ebenfalls eine Aussage über das System- oder Komponentenverhalten
zu treffen sowie die Diagnosesicherheit weiter zu erhöhen.