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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Diagnose einer im Abgassystem
einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassonde und von einer Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie
ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
197 22 334 A1 ist bekannt, für die Diagnose einer
Abgassonde, die auf wenigstens einen Abgasbestandteil empfindlich
reagiert, die Änderungsgeschwindigkeit heranzuziehen, mit
der das Signal auf Änderungen der Konzentration des Abgasbestandteils
reagiert. Hierbei wird in einer erkannten Schubphase der Brennkraftmaschine
die Zeit gemessen, bis das Sondensignal auf die geänderte
Konzentration des Abgasbestandteils reagiert. Eine genaue Vorhersage
des zu erwartenden Sondensignals ist aufgrund der vorherrschenden
Betriebsbedingungen wie beispielsweise der Schubphase der Brennkraftmaschine
mit Kraftstoffabschaltung, nicht ohne Weiteres möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche weist den Vorteil auf,
dass nach Erkennung eines besonderen Be triebszustands einer Brennkraftmaschine
die Diagnose der Abgassonde durchgeführt wird. Zur Bewertung
des Sondensignals wird in einem erkannten besonderen Betriebszustand
der Brennkraftmaschine eine momentenneutrale oder eine den Betreiber
der Brennkraftmaschine nicht störende vorgebbare Testeinspritzung
abgesetzt.
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Anhand
einer vorgebbaren Menge des eingespritzten Testkraftstoffes der
Testeinspritzung können die zu erwartende Zeit, bis eine
Signaländerung der Abgassonde erfolgt, die Signaländerungsgeschwindigkeit
und/oder der Signalverlauf hinreichend genau berechnet werden. Die
unabhängig vom Drehmomentwunsch des Betreibers vorgebbare
Menge des einzuspritzenden Testkraftstoffes erlaubt eine genaue
Zuordnung dieser Merkmale zum Einspritzzeitpunkt und ermöglicht
es dadurch, die Eigenschaften der Abgassonde zu prüfen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
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Ein
besonderer Betriebszustand, in der eine Bewertung des Abgassondensignals
durchgeführt wird, ist eine Schubphase der Brennkraftmaschine. Zur
Erkennung einer Schubphase werden verschiedene Signale, beispielsweise
die Menge an eingespritztem Kraftstoff und die aktuelle Drehzahl, überwacht.
Eine mögliche Kombination von Bedingungen ist beispielsweise
die Überwachung, ob die während des aktuellen
Betriebszustandes eingespritzte Kraftstoffmenge unter einem vorgebbaren
Schwellenwert liegt und die aktuelle Drehzahl größer
als eine vorgebbare Leerlaufdrehzahl ist. Sind alle Signalbedingungen
zur Erkennung einer Schubphase erfüllt, dann befindet sich
die Brennkraftmaschine in einem besonderen Betriebszustand, der
vorteilhaft zur Überwachung einer Abgassonde genutzt werden kann.
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Ein
weiterer vorteilhafter besonderer Betriebszustand, in dem eine Bewertung
des Abgassondensignals durchgeführt werden kann, ist ein quasistationärer
Zustand der Brennkraftmaschine. Ein quasistationärer Zustand
liegt dann vor, wenn sich die für die Diagnose der Abgassonde
relevanten Signale nur geringfügig ändern. Eine
mögliche Kombination von Signalbedingungen, die für
die Diagnose relevant sind, ist beispielsweise die Prüfung,
ob die während des aktuellen Be triebszustandes eingespritzte
Kraftstoffmenge und die aktuelle Luftmasse innerhalb vorgegebener
Schwellenwerte liegen. Ist dies der Fall, dann ist ein zur Diagnose
der Abgassonde besonderer Betriebszustand der Brennkraftmaschine
erreicht.
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Ein
weiterer Vorteil ist die Berücksichtigung der Verzögerungszeit,
bis das Sonden-Signal einer aus der Einspritzung resultierenden Änderung
der Abgaszusammensetzung folgt.
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Diese
ermittelte Verzögerungszeit zwischen einem stattfindenden
Verbrennungsprozess und dem Zeitverzug bis die geänderte
Abgaszusammensetzung den Abgastrakt bis zur Abgassonde zurückgelegt
hat wird näherungsweise als betriebspunktabhängige
Totzeit des Sonden-Signals für die weitere Signalbewertung
verwendet. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Gegenstandes sieht vor, nach einer Signaländerung und/oder
Signalerfassung, einen Soll-Ist-Vergleich der ermittelten Ist-Totzeit
mit einer im Steuergerät gespeicherten Soll-Totzeit vorzunehmen.
Das Ergebnis dieser Prüfung, beispielsweise durch einen
Schwellenwertvergleich mit einer maximal erlaubten Totzeit, wird
zur qualitativen Beurteilung und/oder zur Diagnose des Sonden-Signals
und/oder der Abgassonde verwendet.
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Ein
weiterer Vorteil ist die, durch die vorgebbare Einspritzmenge während
einer geeigneten Schubphase, hinreichend genaue Berechnung des Soll-Signalverlaufs
der Abgassonde. Der Soll-Signalverlauf wird beispielsweise aus dem
Verhältnis der eingespritzten Menge zur Luftmasse und der
Zeit berechnet.
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Die
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstandes
sieht vor, nach einer Signaländerung einen Soll-Ist-Vergleich
durchzuführen und den Ist-Signalverlauf der Abgassonde
mit dem berechneten Soll-Signalverlauf zu vergleichen. Für
diesen Signalvergleich werden bestimmte Merkmale des Signalverlaufs
zur Beurteilung berücksichtigt, beispielsweise die Anstiegs-
oder Abfallgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten oder auch Symmetriepunkte. Durch
diesen Vergleich ist eine qualitative Beurteilung und/oder Diagnose
des Sonden-Signals und/oder der Abgassonde möglich.
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Ist
die Signalbewertung nicht erfolgreich abgeschlossen, so ist ein
Fehler-Zustand des Sonden-Signals und/oder der Abgassonde erkannt
oder ein geeigneter Betriebszustand zur Durchführung einer
Signalbewertung wurde vorzeitig verlassen und die Diagnose konnte
nicht abgeschlossen werden, andernfalls ist die Diagnose erfolgreich
abgeschlossen. Das Auftreten eines Fehler-Zustandes kann beispielsweise
durch das Einschalten einer Fehlerlampe signalisiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens betrifft zunächst ein speziell hergerichtetes
Steuergerät, das Mittel zur Durchführung des Verfahrens
enthält und eine Abgassonde.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens verwendet als Abgassonde vorzugsweise eine Breitband-Lambdasonde.
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Das
Steuergerät enthält vorzugsweise wenigstens einen
elektrischen Speicher, in welchem die Verfahrensschritte als Steuergerätprogramm
abgelegt sind.
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Das
erfindungsgemäße Steuergerätprogramm
sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen
Verfahrens ausgeführt werden, wenn es in einem Steuergerät
abläuft.
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Das
erfindungsgemäße Steuergerät-Programmprodukt
mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten
Programmcode führt das erfindungsgemäße
Verfahren aus, wenn das Programm in einem Steuergerät abläuft.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es
zeigen:
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1 ein
technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäßes
Verfahren abläuft,
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2 Reaktion
einer im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassonde,
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3 Flussdiagramm
des erfindungsgemäßen Steuergerätprogramms.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Eine
Lambda-Regelung ist ein wichtiger Teil zur Steuerung der Verbrennung
und zur Ermöglichung wirksamer Abgasreinigungsverfahren
für Brennkraftmaschinen. Im Zusammenspiel mit heute verfügbaren
Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige
Abgaswerte erreicht werden. Der Lambda-Wert gibt an, wie weit das
tatsächlich vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem
zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis
von 14,5 kg Luft zu 1 kg Dieselkraftstoff abweicht. Lambda ist hierbei
der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem
Luftbedarf.
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Zur Überwachung
der dynamischen Eigenschaften von beispielsweise Breitband-Lambdasonden
wird der Anstieg des Sonden-Signals bei bestimmten Änderungen
des Brennkraftmaschinenzustands ausgewertet, zur Klassifizierung
der Eigenschaften werden verschiedene Größen erfasst,
beispielsweise Verzögerungszeit der Signaländerung, der
Gradient des Sonden-Signals oder das Verhältnis von Soll-
und Ist-Signaländerungen.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät 1,
das u. a. die Aufgabe zur Signalerfassung und Signalbewertung hat. Über
die Frischluftzufuhr 2 wird Umgebungsluft in den aus Zylinder 8 und
Kolben 7 gebildeten Brennraum 9 geleitet. Zur besseren Übersicht
sind die Ein- und Auslassventile nicht dargestellt. Über
die Einspritzdüse 6 wird Kraftstoff in den Brennraum
eingespritzt. Nach einer Verdichtung durch den Kolben wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch
durch die Zündkerze 5 entzündet. Die durch
den Verbrennungsprozess frei werdende Energie wird über
eine Abwärtsbewegung des Kolbens auf ein nicht dargestelltes
Pleuel übertragen. Im Auslasstakt wird das gasförmige
Verbrennungsprodukt durch das Auslassrohr 4 dem Abgastrakt
zugeführt. Eine in das Auslassrohr ragende Abgassonde 3,
beispielsweise eine Lambda sonde, misst die Zusammensetzung des Luftkraftgemisches.
Zur besseren Übersicht wird das Verfahren in 1 nur
für einen Zylinder dargestellt. Das beispielhaft für
den Ottomotor gezeigte Verfahren ist auch mit anderen Formen einer
Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Dieselmotor, Mischformen
zwischen Otto- und Dieselmotor, einer Kombination verschiedener
Antriebe sogenannte „Hybride” oder Gasmotoren
möglich.
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2 zeigt
die Reaktion des Sondensignals auf ein Einspritzsignal. Entlang
der x-Achse ist die Zeit aufgetragen, die y-Achse stellt die Signalstärke dar.
Signal 10 stellt eine Einspritzung mit einer spezifischen
Einspritzstärke (Höhe des Signals = Y-Achse) und
Einspritzdauer (Zeitdauer = X-Achse) dar. Die Einspritzmenge ergibt
sich durch das Produkt von Einspritzstärke und Einspritzdauer.
Nach einer Verzögerungszeit 12 reagiert die Abgassonde
mit einem Signal 11 auf die Änderung der Zusammensetzung des
Abgases bedingt durch die Einspritzung einer Testkraftstoffmenge.
Mit einer Einspritzung ist üblicherweise ein Beitrag des
eingespritzten Kraftstoffes zu einem Drehmoment der Brennkraftmaschine
verbunden. Wesentlich ist hier dass die Einspritzmenge, der Einspritzzeitpunkt
und der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine so gewählt
werden, dass mit der Einspritzung kein für den Betreiber
der Brennkraftmaschine störender Momentenbeitrag gegeben
ist. Es wird somit eine Betriebsphase der Brennkraftmaschine gewählt,
in der die Einspritzung keinen oder lediglich einen sehr geringen
spürbaren Momentenbeitrag liefert. Weiterhin wird die Einspritzmenge
geeignet gewählt. Hier in der 2 ist eine
einzelne Einspritzung gezeigt, die von ihrer Dauer so gewählt ist,
dass keine nennenswerte Erhöhung des Drehmoments erfolgt.
Alternativ können auch eine Vielzahl von kleinen zeitlich
sehr kurzen Testeinspritzungen verwendet werden, die unmittelbar
aufeinander folgen und so quasi ein zeitlich verlängertes
Einspritzen mit verringerter Einspritzstärke darstellen.
Besonders geeignet als Betriebsphase, in der eine momentenneutrale
Einspritzung erfolgen kann, ist ein Schubbetrieb der Brennkraftmaschine.
Bei einem solchen Schubbetrieb handelt es sich beispielsweise um
einen Fahrzeugzustand, bei dem der Motor durch das Fahrzeug in Drehbewegung
gehalten wird. Ein typischer Schubbetrieb ist beispielsweise das
eingekuppelte Rollen auf der Autobahn, ohne das Gaspedal zu betätigen.
Bei einer stationären Brennkraftmaschine zum Zweck der
Stromerzeugung ist der Leerlauf eine geeignete Betriebsphase. Als
weiterer Betriebszustand lässt sich ein quasistationärer
Zustand der Brennkraftmaschine nutzen. Ein solcher Zustand ist gekennzeichnet
durch eine zeitlich sehr langsame Änderung von Signalen.
Das Sondensignal ist in 2 dargestellt. Als mögliche
Sonden kommen hier beispielsweise Breitband-Lambdasonden, Abgastemperatursonden
oder andere Sonden, die die chemische Zusammensetzung oder eine
physikalische Eigenschaft (beispielsweise Partikelzahl) des Abgases
messen, in Frage. Entsprechend wird dann das Sensorsignal ausgebildet
sein. Wesentlich kann hier die Verzögerungszeit 12,
auch Totzeit genannt, zur späteren Diagnose der Abgassonde
verwendet werden. Weiterhin kann die absolute Höhe des
Signals oder die Änderungsgeschwindigkeit des Signals verwendet
werden. Da die Einspritzung auch ein definiertes Ende hat, kann
auch der Abfall des Sondensignals ausgewertet werden. Welches Signal
für den jeweiligen Sondentyp geeignet ist, wird anhand
der Eigenschaften der Abgassonde bestimmt. Die weitere Beschreibung
erfolgt anhand des Beispiels einer Lambdasonde, bei der die Totzeit
und die Signalanstiegszeit von Bedeutung sind (neben anderen Parametern).
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Das
in 3 dargestellte Flussdiagramm zeigt das Verfahren
zur Diagnose der Abgassonde am Beispiel einer Lambdasonde. Zur Überwachung der
Abgassonde einer Brennkraftmaschine werden die Totzeit bis zur ersten
Reaktion des Sondensignals und der prognostizierte Signalanstieg
zur Signalbewertung herangezogen. Hierfür wird in einem
ersten Verfahrensschritt 31 ein besonderer Betriebszustand der
Brennkraftmaschine ermittelt, in dem beispielsweise die Sauerstoff-Konzentration
einen konstanten, bekannten Wert hat. Bei einem Kraftfahrzeug sind
derartige besondere, geeignete Betriebszustände Schubphasen
oder quasistationärere Zustände des Kraftfahrzeugs,
in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist.
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Wenn
ein geeigneter Betriebszustand ermittelt ist, wird in einem weiteren
Verfahrensschritt 32 die vom aktuellen Betriebspunkt abhängige,
momentenneutrale und/oder eine den Betreiber nicht störende
Einspritzmenge berechnet. Diese Einspritzmenge ist sehr klein im
Vergleich zu einer momentenwirksamen Einspritzmenge und eine Einspritzung
erfolgt abhängig vom aktuellen Betriebspunkt zeitlich wesentlich
später als beispielsweise eine Haupteinspritzung. Durch
die vorgebbare Menge des Kraftstoffes, der zur Einspritzung verwendet
werden soll, kann die zu erwartende Signaländerung und/oder
Anstiegsgeschwindigkeit genau prognostiziert werden. Durch die dem
Einspritzsystem vorgegebene Menge an Kraftstoff findet eine Verbrennung
in der Brennkraftmaschine statt.
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Im
nächsten Verfahrensschritt 33 wird die Zeit ermittelt,
bis das Sondensignal auf die Änderung der Abgaszusammensetzung
reagiert. Diese ermittelte Verzögerungszeit wird näherungsweise
als betriebspunktabhängige Ist-Totzeit für die
weitere Bewertung gespeichert. Die Rückkopplung des Verfahrensschritts
stellt die kontinuierliche Abfrage, ob eine Änderung des
Sondensignals vorliegt, dar. Wird eine Änderung des Sondensignals
erkannt, wird die ermittelte Totzeit gespeichert. Nicht dargestellt
ist die Abbruchbedingung der Abfrage, für die eine definierte, maximale
Zeitspanne gewartet wird, bis das Sondensignal der veränderten
Abgaszusammensetzung folgt. Wird diese Schwelle überschritten,
dann liegt ein Fehler vor, beispielsweise eine defekte Abgassonde.
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Im
folgenden Verfahrenschritt 34 wird ein Vergleich einer
gespeicherten betriebspunktabhängigen Soll-Totzeit mit
der im vorhergehenden Verfahrenschritt ermittelten Ist-Totzeit durchgeführt.
Hier wird überprüft, ob die Abweichung zwischen
ermittelter Ist-Totzeit und Soll-Totzeit unter dem vorgebbaren Schwellenwert
liegt. Liegt die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Totzeit über
dem Schwellenwert, so kann auf einen Fehler der Abgassonde geschlossen werden.
In einem weiteren Verfahrenschritt 35 werden die Fehlerdaten
zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt, dies kann beispielsweise
in Form einer Fehlerdatenspeicherung und/oder Weitergabe an Diagnoseeinheiten
erfolgen. Das Auftreten eines Fehlers kann beispielsweise auch durch
Einschalten einer Fehlerlampe signalisiert werden.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt 41 wird die Zeit ermittelt,
bis das Signal einen bestimmten Wert erreicht oder einen bestimmten
Signalverlauf nimmt. Dies kann beispielsweise die Ist-Sondensignalanstiegszeit
sein, bis das Signal einen Schwellenwert überschritten
hat. Alternativ sind auch Eigenschaften wie Steigungen zwischen
Punkten, insbesondere dem Anstieg des Sondensignals von 30% auf
60% des Maximalwerts, oder die Signalabfallzeit von einem Maximalwert
bis zu einem Minimalwert denkbar. Die zu erwartende Soll-Sondensignalanstiegszeit
wird in diesem Verfahrensschritt zusätzlich aus verschiedenen
Eigenschaften, beispielsweise in Abhängigkeit der abgesetzten
Einspritzmenge und Luftmasse, berechnet. Eine weitere Möglichkeit
ist, dass zu erwartende Soll-Sondensignalanstiegszeiten in Abhängigkeit
verschiedener Eigenschaften auf einem Speicher im Steuergerät
hinterlegt sind und diese Werte in diesem Verfahrenschritt aus dem
Speicher geladen werden, anstelle sie zu berechnen.
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Durch
eine in diesem Verfahrensschritt durchgeführte Tiefpassfilterung
wird das Signal der Ist-Sondensignalanstiegszeit vom Rauschen befreit.
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Im
folgenden Verfahrensschritt 38 wird ein Soll-Ist-Vergleich
der im vorhergehenden Verfahrensschritt ermittelten Sondensignalanstiegszeiten durchgeführt.
Es wird ermittelt, ob die Ist-Sondensignalanstiegszeit dem erwarteten
Signalverlauf der Soll-Sondensignalanstiegszeit entspricht. Gespeicherte
Schwellenwerte werden zur Beurteilung der positiven oder negativen
Abweichung des Ist-Signals vom berechneten Soll-Signal herangezogen.
Das gefilterte Ist-Signal liegt bei keinem vorliegenden Sonden-Fehler
in dem durch die Schwellenwerte definierten Bereich um das Soll-Signal.
Alternativ kann zum Soll-Ist-Vergleich der Anstiegszeit ein Soll-Ist-Vergleich
der Abfallzeit des Sondensignals durchgeführt werden. Zur
Prüfung des Sondensignals werden verschiedene Beurteilungskriterien
wie Bereichsprüfung, Signalverlauf, Punktprüfung,
Anzahl erlaubter Über- oder Unterschreitungen und/oder
Kombinationen aus diesen Kriterien verwendet. Beispielsweise kann
in einem Anwendungsfall der komplette Signalverlauf zur Sondenprüfung herangezogen
werden, bei dem der Anstieg des Sondensignals von 30% auf 60% des
Maximalwerts und der Abfall des Sondensignals von 60% auf 30% des Maximalwerts
charakteristisch sind. Wird eine Abweichung des Soll-Signals vom
Ist-Signal außerhalb des über die Schwellenwerte
definierten Toleranzbereichs festgestellt, so kann auf einen Fehler
der Abgassonde geschlossen werden. In einem weiteren Verfahrensschritt 39 werden
die Fehlerdaten zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt, dies kann
beispielsweise wie in Verfahrensschritt 35 in Form einer
Fehlerdatenspeicherung und/oder Weitergabe an Diagnoseeinheiten
erfolgen.
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Im
folgenden Verfahrensschritt 40 ist die erfolgreiche Sondenprüfung
abgeschlossen und das Ergebnis wird beispielsweise an eine Diagnoseeinheit
weitergegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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