-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung einer Nockenwellenverstellung einer Brennkraftmaschine. Da die Umdrehungszahlen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle um genau einen Faktor zwei unterschiedlich sind, lässt sich bei jeder Umdrehung der Nockenwelle bzw. bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle eine Winkelbeziehung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle definieren. Dies kann beispielsweise durch die Zuordnung einer Bezugsmarke der Kurbelwelle zu einer Bezugsflanke der Nockenwelle geschehen. Diese Winkelbeziehung wird auch als Nockenwellenposition oder Winkelstellung der Nockenwelle bezeichnet.
-
Eine Nockenwellenverstellung erlaubt eine mechanische Variation der Ventilansteuerungszeiten am Ein-/Auslasskanal einer Zylinderkammer, d.h. eine Variation der Winkelstellung der Nockenwelle. Die dafür erforderliche Verstellung der Nockenwelle in Richtung früh oder spät erfolgt beispielsweise über einen Flügelzellenversteller oder dergleichen per Öldruck. Die Steuerung des Ölflusses zu den einzelnen Kammern geschieht durch Magnetventile, die über ein pulsweitenmoduliertes Signal ausgehend vom Steuergerät angesprochen werden. Dabei muss die Nockenwelle innerhalb einer einzuhaltenden Zeit einen Sollwert ausreichend genau erreichen. Ist dies nicht gegeben, so handelt es sich um eine Fehlverstellung. Fehlstellungen während der variablen Nockenwellenverstellung führen unter anderem zu einer Abgasverschlechterung durch eine nicht mehr optimale Verbrennung bis hin zu Verbrennungsaussetzern. Des Weiteren wird der Fahrer ein fehlendes Drehmoment bzw. fehlende Leistung und Einbußen bei der Laufruhe wie beispielsweise Ruckeln, die durch fehlerhafte Nockenwellenpositionen und dadurch resultierende Füllungsunterschiede zwischen den Zylinderbänken auftreten, bemängeln.
-
Die Diagnose der Nockenwellensteuerung kann durch ein Überprüfen der Verstellwinkel der Nockenwelle erfolgen. Dazu wird die Differenz zwischen Soll- und Istwert mit applizierbaren Schwellwerten verglichen. Bei Über- bzw. Unterschreiten der Schwellwerte für einen zu applizierenden Zeitraum kann dann ein Setzen eines Fehlers der Nockenwellen-Verstelleinheit erfolgen. Es ist dabei möglich, dass ein Verstellfehler der Nockenwelle immer dann gesetzt wird, wenn nach Ablauf einer Entprellzeit die Ist-Winkelstellung außerhalb eines zulässigen Toleranzbandes liegt. Mit einer derartigen Nockenwellendiagnose kann ein allgemeiner Verstellfehler der Nockenwelle diagnostiziert werden.
-
Während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, die Nockenwelle derart zu verstellen, dass besonders heiße Abgase resultieren, um einen im Abgastrakt befindlichen Katalysator möglichst schnell aufzuheizen. Eine solche Betriebsart wird auch CSERS-Betriebsart („Cold Start Emission Reduction Strategy“) genannt. Die Winkelstellung der Nockenwelle während dieser CSERS-Betriebsart unterscheidet sich also von der Winkelstellung, die die Nockenwelle einnähme, wenn die CSERS-Betriebsart nicht aktiv wäre, wenn also ein Warmstart der Brennkraftmaschine vorläge.
-
Eine Gesetzesvorlage der amerikanischen Regulierungsbehörde CARB verlangt eine Differenzierung des diagnostischen Fehlverhaltens der Nockenwellenverstellung. Insbesondere ist es erforderlich, zu diagnostizieren, ob die Winkelstellung der Nockenwelle während einer CSERS-Betriebsart sich von der Winkelstellung unterscheidet, die die Nockenwelle bei einem ansonsten gleichen Betriebspunkt einnähme, wenn die CSERS-Betriebsart nicht aktiv wäre, sofern der Sollwert der Winkelstellung bei aktiver CSERS-Betriebsart ein anderer wäre also bei nicht-aktiver CSERS-Betriebsart.
-
Aus der
DE 103 09 717 A1 und der
DE 103 40 819 A1 sind bereits Verfahren zur Überwachung einer Nockenwellenverstellung bekannt, bei denen der zeitliche Verlauf eines Istwerts mit einem Sollwert der Nockenwellenverstellung verglichen wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen erlaubt eine derartige Differenzierung eines Fehlers der Nockenwellenverstellung.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf des Istwerts der Winkelstellung der Nockenwelle mit den zeitlichen Verläufen von zwei Sollwerten der Winkelstellung verglichen wird. Die beiden Sollwerte der Winkelstellung, also ein erster und ein zweiter Sollwert, werden hierbei für einen gleichen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine berechnet. Zur Berechnung des ersten Sollwerts wird dabei eine erste Betriebsart der Brennkraftmaschine zugrunde gelegt, für die Berechnung des zweiten Sollwerts eine zweite Betriebsart. Die weiteren zur Ermittelung des Sollwerts der Winkelstellung notwendigen Parameter, wie beispielsweise eine Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine, werden bei der Ermittelung der beiden Sollwerte als gleich angenommen.
-
Der Vergleich mit diesen beiden Sollwerten hat dabei den Vorteil, dass damit differenziert werden kann, ob der zeitliche Verlauf des Istwerts der Winkelstellung eher dem zeitlichen Verlauf des ersten oder des zweiten Sollwerts der Winkelstellung entspricht.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es besonders einfach ist.
-
Ist die erste Betriebsart aktiv und die zweite Betriebsart inaktiv, d.h. wird die Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart betrieben und in der zweiten Betriebsart nicht betrieben, wenn das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, so lässt sich insbesondere diagnostizieren, ob der Betrieb in der ersten Betriebsart ordnungsgemäß erfolgt. In diesem Fall ist der erste Sollwert der tatsächlich für den Istwert einzustellende Sollwert, also der Ziel-Sollwert, wohingegen der zweite Sollwert einen Referenz-Sollwert darstellt.
-
Handelt es sich bei der ersten Betriebsart um eine CSERS-Betriebsart, also um eine Betriebsart während eines Kaltstarts, und handelt es sich bei der zweiten Betriebsart um keine CSERS-Betriebsart, also um eine Betriebsart während eines Warmstarts (da beim erfindungsgemäßen Verfahren bis auf die Betriebsart, mit der die Brennkraftmaschine betrieben wird, gleiche Betriebspunkte der Brennkraftmaschine angenommen werden), so lassen sich die gesetzlichen Vorgaben insbesondere der CARB auf besonders einfache Weise erfüllen.
-
Wird die Diagnose dahingehend eingeschränkt, dass nur dann entschieden wird, ob ein Fehler der Nockenwellenverstellung vorliegt, wenn der erste Sollwert und der zweite Sollwert einen Mindestabstand, nämlich einen Auslöseschwellenwert, voneinander haben, so wird die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht, da (im Einklang mit gesetzlichen Bestimmungen der CARB) in Konstellationen, in denen der erste Sollwert, der zweite Sollwert und der Istwert der Winkelstellung sehr nah beieinander liegen, nicht mehr eine Differenzierung erforderlich ist, welchem der beiden Sollwerte der Istwert eher zugeordnet werden kann.
-
Ein besonders einfaches Kriterium für einen Fehlerfall, der gemäß gesetzlicher Bestimmungen z.B. der CARB dann vorliegt, wenn der Verlauf des Istwerts eher dem Verlauf des zweiten Sollwerts als dem Verlauf des ersten Sollwerts entspricht, ist dann gegeben, wenn ein Nähemaß, also ein Maß für die Nähe, zwischen den zeitlichen Verläufen des Istwerts und jedem der beiden zeitlichen Verläufe der Sollwerte berechnet wird. Ist dieses zwischen Istwert und zweitem Sollwert berechnete Nähemaß dann größer als das zwischen Istwert und erstem Sollwert berechnete Nähemaß, so lässt sich besonders einfache Art und Weise der Fehlerfall identifizieren, dass der Verlauf des Istwerts eher dem Verlauf des zweiten Sollwerts entspricht als dem Verlauf des ersten Sollwerts.
-
Ein besonders einfach und robust zu ermittelndes Nähemaß zwischen dem zeitlichen Verlauf des Istwerts und dem zeitlichen Verlauf des ersten Sollwerts ist dadurch gegeben, dass ein erster Schwellenwert definiert wird, und dass das Nähemaß zwischen den zeitlichen Verläufen von Istwert und erstem Sollwert durch die Länge der Zeit gegeben ist, die der Istwert sich auf der von dem zweiten Sollwert abgewandten Seite des ersten Schwellenwerts befindet.
-
Das bedeutet, dass je nachdem, ob der erste Sollwert größer oder kleiner ist als der zweite Sollwert, zwei Fälle unterschieden werden. Ist der erste Sollwert größer als der zweite Sollwert, so ist das Nähemaß des zeitlichen Verlaufs des Istwerts der Winkelstellung vom zeitlichen Verlauf des ersten Sollwerts durch die Zeitdauer gegeben ist, während der der Istwert der Winkelstellung größer ist als der erste Schwellenwert. Ist umgekehrt der erste Sollwert nicht größer ist als der zweite Sollwert, so ist das Nähemaß des zeitlichen Verlaufs des Istwerts der Winkelstellung vom zeitlichen Verlauf des ersten Sollwerts durch die Zeitdauer gegeben, während der die Winkelstellung kleiner ist als der erste Schwellenwert.
-
Das Verfahren wird hierbei besonders robust, wenn der erste Schwellenwert abhängig ist vom ersten Sollwert an dem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen erstem Sollwert und zweitem Sollwert den Auslöseschwellenwert erstmalig überschreitet, gewählt wird.
-
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines analogen Nähemaßes zwischen den zeitlichen Verläufen des Istwerts der Winkelstellung und des zweiten Sollwerts.
-
Wenn also der erste Sollwert größer ist als der zweite Sollwert, wird das Nähemaß des zeitlichen Verlaufs des Istwerts der Winkelstellung vom zeitlichen Verlauf des zweiten Sollwerts durch die Zeitdauer gegeben, während der der Istwert der Winkelstellung kleiner ist als ein zweiter Schwellwert. Wenn hingegen der erste Sollwert nicht größer ist als der zweite Sollwert, so ist das Nähemaß des zeitlichen Verlaufs des Istwerts der Winkelstellung vom zeitlichen Verlauf des zweiten Sollwerts durch die Zeitdauer gegeben, während der die Winkelstellung größer ist als ein zweiter Schwellwert.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Schwellenwert abhängig ist vom zweiten Sollwert an dem Zeitpunkt, an dem die Differenz zwischen erstem Sollwert und zweitem Sollwert den Auslöseschwellenwert erstmalig überschreitet.
-
Die Figuren zeigen eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:
- 1 Zeitliche Verläufe von Ist- und Sollwerten der Winkelstellung der Nockenwelle;
- 2 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahren ;
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt Verläufe der Winkelposition (Alpha) der Nockenwelle aufgetragen über der Zeit (t). Dargestellt sind der erste Sollwert (Soll1) der Winkelposition und der zweite Sollwert (Soll2) der Winkelposition. Der erste Sollwert (Soll1) entspricht hierbei einer CSERS-Betriebsart, der zweite Sollwert (Soll2) einer zweiten Betriebsart, die keine CSERS-Betriebsart ist (also ein Warmstart). Dargestellt ist das Verhalten während eines Kaltstarts, d.h. der tatsächliche Sollwert, der der Nockenwellenverstellung vorgegeben wird, ist der erste Sollwert (Soll1).
-
Bis zu einem ersten Zeitpunkt t1 liegen erster Sollwert (Soll1) und zweiter Sollwert (Soll2) nah beieinander. Zum ersten Zeitpunkt t1 führt der erste Sollwert (Soll1) einen Sprung zu einer größeren Winkelposition (Alpha) durch, während der zweite Sollwert (Soll2) im dargestellten Beispiel auch im weiteren zeitlichen Verlauf konstant bleibt. Die Differenz zwischen erstem Sollwert (Soll1) und zweitem Sollwert (Soll2) überschreitet zum ersten Zeitpunkt (t1) einen Auslöseschwellenwert (A). Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass der erste Sollwert (Soll1) konstant bleibt, und der zweite Sollwert (Soll2) einen Sprung zu einer größeren Winkelposition (Alpha) durchführt. Ebenso ist es möglich, dass der erste Sollwert (Soll1) oder der zweite Sollwert (Soll2) einen Sprung zu einer kleineren Winkelposition durchführen.
-
Die Ermittelung der Sollwerte erfolgt in einem diskreten Zeitraster. Zum nächsten auf den ersten Zeitpunkt (t1) folgenden diskreten Zeitpunkt (t2) werden ein erster Schwellenwert (S1) und ein zweiter Schwellenwert (S2) ermittelt. Der erste Schwellenwert (S1) ist um eine vorgebbare erste Differenz kleiner als der Wert, den der erste Sollwert (Soll1) zum zweiten Zeitpunkt (t2) annimmt. Der zweite Schwellenwert (S2) ist um eine vorgebbare zweite Differenz größer als der Wert, den der zweite Sollwert (Soll2) zum zweiten Zeitpunkt (t2) annimmt. Die vorgebbare erste Differenz und/oder die vorgebbare zweite Differenz können hierbei klein gewählt werden, beispielsweise so klein, wie typische Schwankungen der Istposition (Ist) der Nockenwelle und/oder Systemungenauigkeiten während des Betriebs der Brennkraftmaschine, beispielsweise 2°. Insbesondere ist es auch möglich, die vorgebbare erste Differenz und/oder die vorgebbare zweite Differenz gleich null zu wählen.
-
Im in 1 dargestellten Fall ist zum zweiten Zeitpunkt (t2) der erste Sollwert (Soll1) größer als der zweite Sollwert (Soll2). Ist hingegen der erste Sollwert (Soll1) um mindestens den Auslöseschwellwert (A) kleiner als der zweite Sollwert (Soll2), so wird der erste Schwellenwert (S1) um die vorgebbare erste Differenz größer gewählt als der Wert, den der erste Sollwert (Soll1) zum zweiten Zeitpunkt (t2) annimmt, und der zweite Schwellenwert (S2) wird um die vorgebbare zweite Differenz kleiner gewählt als der Wert, den der zweite Sollwert (Soll2) zum zweiten Zeitpunkt (t2) annimmt.
-
Erster Sollwert (Soll1), erster Schwellenwert (S1), zweiter Schwellenwert (S2) und zweiter Sollwert (Soll2) bilden also zum zweiten Zeitpunkt (t2) stets eine aufsteigende oder eine absteigende Rangfolge.
-
Ebenfalls dargestellt in 1 ist der zeitliche Verlauf des Istwerts (Ist) der Winkelstellung der Nockenwelle. Im dargestellten Beispiel entspricht der Istwert (Ist) einer nicht fehlerhaften Nockenwellenverstellung, d.h. der Istwert (Ist) folgt mit geringem zeitlichem Verzug und Oszillationen dem ersten Sollwert (Soll1).Zum zweiten Zeitpunkt (t2) befindet sich der Istwert (Ist) unterhalb des ersten Schwellenwerts (S1), aber oberhalb des zweiten Schwellenwerts (S2).
-
Strichpunktiert ist in 1 auch ein fehlerhafter Istverlauf (Ist_F) der Winkelstellung dargestellt. Dieser fehlerhafte Istverlauf (lst_F) folgt mit Oszillationen dem Verlauf des zweiten Sollwerts (Soll2). Der fehlerhafte Istverlauf (lst_F) nimmt hierbei stets kleinere Werte an als der erste Schwellenwert (S1), und mit Ausnahme weniger Zeitpunkte auch Werte, die kleiner sind als der zweite Schwellenwert (S2).
-
Zum zweiten Zeitpunkt (t2) startet das erfindungsgemäße Verfahren und endet zu einem dritten Zeitpunkt (t3), der um einen vorgebbaren Zeitabstand, beispielsweise eine Sekunde, nach dem zweiten Zeitpunkt (t2) liegt. Im Zeitintervall [t2;t3] wird ausgewertet, ob der Istwert (Ist) der Winkelstellung näher am ersten Sollwert (Soll1) oder am zweiten Sollwert (Soll2) liegt. Es wird hierbei wie im folgenden beschrieben insbesondere überprüft, ob der Istwert (Ist) der Winkelstellung den ersten Schwellenwert (S1)überschreitet. Da die vorgebbare erste Differenz klein gewählt ist, wird im Rahmen der durch die vorgebbare erste Differenz gegebenen Genauigkeit insbesondere überprüft, ob der Istwert (Ist) den ersten Sollwert (Soll1) erreicht.
-
Es ergibt sich somit als weiterer Vorteil der Erfindung, dass das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren zielwertgenau ist, d.h. es wird überprüft, ob der tatsächliche Zielwert (also der erste Sollwert (Soll1)), dem der Istwert (Ist) folgen soll, tatsächlich erreicht wird.
-
Ein bevorzugtes Verfahren zur Durchführung des Diagnoseverfahrens ist in 2 dargestellt. Dieses Verfahren wird vorzugsweise auf einem zu diskreten Zeitpunkten getakteten Steuergerät durchgeführt, beispielsweise einem Motorsteuergerät.
-
Das in 2 dargestellte Verfahren wird nachfolgend für den Fall beschrieben, dass der zweite Sollwert (Soll2) größer ist als der erste Sollwert (Soll1).Ist hingegen der erste Sollwert (Soll1) kleiner als der zweite Sollwert (Soll2), so werden im anstelle des ersten Sollwerts (Soll1), des zweiten Sollwerts (Soll2) und des Kurbelwellenwinkels (Ist) die mit einem Faktor „-1“ multiplizierten Werte des ersten Sollwerts (Soll1), des zweiten Sollwerts (Soll2) und des Kurbelwellenwinkels (Ist) verwendet.
-
Das Verfahren beginnt in Schritt 1000. In Schritt 1010 wird geprüft, ob der erste Sollwert (Soll1) um wenigstens den Auslöseschwellenwert größer ist als der zweite Sollwert (Soll2). Ist dies der Fall, folgt Schritt 1020, andernfalls wird Schritt 1010 wiederholt. Im Ausführungsbeispiel wird zum zweiten Zeitpunkt (t2) erstmalig zu Schritt 1020 weiterverzweigt.
-
In Schritt 1020 werden ein erster Zähler N1 und ein zweiter Zähler N2 auf den Wert 0 gesetzt. Ein Endzeitpunkt wird auf die Summe aus momentanem Zeitpunkt und vorgebbarem Zeitabstand, im vorliegenden Beispiel also auf „t2+1s“ gesetzt. Der erste Schwellenwert (S1) wird auf den Wert des ersten Sollwerts (Soll1) minus die erste vorgebbare Differenz gesetzt, der zweite Schwellenwert (S2) wird auf den Wert des zweiten Sollwerts (Soll2) plus den Wert der zweiten vorgebbaren Differenz gesetzt. Es folgt Schritt 1030.
-
In Schritt 1030 wird überprüft, ob der Istwert (Ist) der Winkelstellung größer ist als der erste Schwellenwert (S1). Ist dies der Fall, folgt Schritt 1040, in dem der erste Zähler (N1) um eins inkrementiert wird, und anschließend weiter Schritt 1080. Andernfalls folgt Schritt 1050, in dem überprüft wird, ob der Istwert (Ist) der Winkelstellung kleiner ist als der zweite Schwellenwert (S2). Ist dies der Fall, folgt Schritt 1060, in dem der zweite Zähler um eins inkrementiert wird, und anschließend weiter Schritt 1080. Ist dies nicht der Fall, folgt Schritt 1070.
-
In Schritt 1070 wird überprüft, ob Abbruchkriterien zum Abbrechen des Diagnoseverfahrens erfüllt sind. Ein solches Abbruchkriterium kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass der erste Sollwert (Soll1) und der den ersten Schwellenwert (S1) fällt, oder dass der zweite Sollwert (Soll2) über den zweiten Schwellenwert (S2) ansteigt. Ist wenigstens eines der Abbruchkriterien erfüllt, folgt Schritt 1120, in dem das Diagnoseverfahren ohne Ergebnis abgebrochen wird. Ist kein Abbruchkriterium erfüllt, folgt Schritt 1080.
-
In Schritt 1080 wird der nächste diskrete Zeitpunkt abgewartet und anschließend überprüft, ob der momentane Zeitpunkt kleiner ist als der Endzeitpunkt. Ist dies der Fall, folgt erneut Schritt 1030. Ist dies nicht der Fall, folgt Schritt 1090.
-
In Schritt 1030, 1040, 1050, 1060, 1070 und 1080 wird also iterativ während zwei Nähemaße berechnet: Eines für die Nähe der zeitlichen Verläufe zwischen Istwert (Ist) und erstem Sollwert (Soll1), und eines für die Nähe der zeitlichen Verläufe zwischen Istwert (Ist) und zweitem Sollwert (Soll2).
-
In Schritt 1090 wird ausgewertet, ob der erste Zähler (N1) größer ist als der zweite Zähler (N2). Ist dies nicht der Fall, wie beispielsweise für den in 1 dargestellten fehlerhaften Istverlauf (lst_F), so folgt Schritt 1110, in dem auf einen Fehler der Nockenwellenverstellung erkannt wird. Ist dies hingegen der Fall, so folgt Schritt 1120, in dem darauf erkannt wird, dass die Nockenwellenverstellung im Hinblick auf den überprüften Fehler ordnungsgemäß funktioniert.
-
Wie bereits erläutert ist das Verfahren hier für den Fall beschrieben worden, dass ab dem ersten Zeitpunkt (t1), und insbesondere ab dem zweiten Zeitpunkt (t2) der erste Schwellenwert (S1) größere Werte annimmt als der zweite Schwellenwert (S2). Nimmt hingegen der erste Schwellenwert (S1) kleine Werte an als der zweite Schwellenwert (S2), so können entweder, wie oben beschrieben, erster Schwellenwert (S1), zweiter Schwellenwert (S2) und Istwert (Ist) der Winkelstellung mit einem Faktor „-1“ multipliziert werden.
-
Alternativ können Schritte 1010, 1020, 1030, 1050 und 1070 wie folgt abgewandelt werden, um diesen Fall zu behandeln: In Schritt 1010 wird überprüft, ob der erste Sollwert (Soll1) kleiner ist als der zweite Sollwert (Soll2) minus den Auslöseschwellenwert (A).
-
In Schritt 1020 muss die Definition des ersten (S1) und des zweiten Schwellenwertes (S2) wie folgt geändert werden: Der erste Schwellenwert (S1) wird als der Wert des ersten Sollwerts (Soll1) plus den ersten vorgebbaren Schwellenwert gesetzt, der zweite Schwellenwert (S2) auf den Wert des zweiten Sollwerts (Soll2) minus den ersten vorgebbaren Schwellenwert.
-
In Schritt 1030 wird geprüft, ob der Istwert (Ist) kleiner ist als der erste Schwellenwert (S1), und in Schritt 1050 wird geprüft, ob der Istwert (Ist) größer ist als der zweite Schwellenwert (S2).
-
Die Abbruchkriterien in Schritt 1070 müssen ebenfalls angepasst werden. Gültige Abbruchkriterien sind beispielsweise, dass der erste Sollwert (Soll1) über den ersten Schwellenwert (S1) ansteigt, oder dass der zweite Sollwert (Soll2) unter den zweiten Schwellenwert (S2) abfällt.
