DE102011005463A1

DE102011005463A1 - Verfahren zum Betreiben eines Systems, bei dem eine Stellgröße eines Stellglieds gesteuert werden kann

Info

Publication number: DE102011005463A1
Application number: DE102011005463A
Authority: DE
Inventors: Thomas Breitbach; Jens Pawlak
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-09-13
Also published as: CN102678360B; US20120232770A1; US10851716B2; CN102678360A

Abstract

Es wird ein Verfahren (10) zum Betreiben eines – beispielsweise hydraulischen oder pneumatischen – Systems (12) beschrieben, bei dem eine Stellgröße eines Stellglieds (16) gesteuert werden kann, und bei dem mindestens eine vom der Stellgröße des Stellglieds (16) abhängige Größe (26) ermittelt werden kann, wobei die Stellgröße des Stellglieds (16) mit einem ersten periodischen Signal (22) moduliert wird, und wobei ein die mindestens eine Größe (26) charakterisierendes Messsignal (30) unter Verwendung mindestens eines zweiten periodischen Signals (47) ausgewertet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem nebengeordneten Patentanspruch.
Vom Markt her bekannt sind Abgasanlagen in Kraftfahrzeugen, bei denen eine Abgasrückführung und/oder ein Turbolader verwendet werden. Dabei wird beispielsweise die Menge des rückgeführten Abgases über ein so genanntes Abgasrückführventil (”AGR-Ventil”) gesteuert. Zur Erfüllung von Gesetzesauflagen kann es erforderlich sein, einen Defekt des AGR-Ventils im Rahmen einer so genannten ”On-Board”-Diagnose zu erkennen. Beispielsweise kann das AGR-Ventil ein verzögertes Stellverhalten aufweisen oder sogar klemmen.
Eine Möglichkeit, den Zustand bzw. das Verhalten des AGR-Ventils zu diagnostizieren, ist es beispielsweise, ein Integral aus dem Produkt der Abweichung von einem Istwert zu einem Sollwert der rückgeführten Luftmasse und dem Anstieg einer zugehörigen Sollwertkurve zu bilden. Dies bedeutet im Wesentlichen ein Maß für die Fläche zwischen der Istwertkurve und der zugehörigen Sollwertkurve des Luftmassenstroms. Somit kann der Integralwert (Residuum) nach Ablauf einer kumulierten Freigabezeit mit einem Schwellwert verglichen werden, und bei Überschreiten des Schwellwerts auf einen Fehler geschlossen werden (Symptom). Eine vergleichbare Prozedur kann auch zur Überwachung eines Luftmassenstroms verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Diagnose der in der Abgasanlage enthaltenen Stellglieder kann beispielsweise beim Turbolader angewendet werden, indem in einem Leerlaufbetrieb des Kraftfahrzeugs ein Aktuator des Turboladers (VTG-Steller, VTG bedeutet ”Variable Turbinen-Geometrie”) mit einer Sinusschwingung beaufschlagt wird (”Modulationssignal”). Gleichzeitig wird ein einen Ladedruck und/oder einen Luftmassenstrom charakterisierendes Signal (”Messsignal”) ausgewertet, indem aus dem Integral der Fouriertransformierten des Signals ein Merkmal (Residuum) gebildet wird, dessen Wert mit einem Schwellwert verglichen wird. Daraus kann abgeleitet werden, ob ein Fehler des VTG-Stellers, beispielsweise eine Schwergängigkeit oder ein Klemmen, vorliegt.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung berücksichtigt, dass ein – beispielsweise hydraulisches oder pneumatisches – System häufig einer Vielzahl von Einflussgrößen ausgesetzt ist. Dadurch ist es erschwert, die ordnungsgemäße Funktion eines bestimmten Stellglieds des Systems – insbesondere das Steuern einer Stellgröße des Stellglieds – zu prüfen und/oder zu überwachen. Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass die Funktion des Stellglieds dann besonders einfach und zuverlässig geprüft werden kann, wenn eine von dem Stellglied abhängige Reaktion des Systems eindeutig ermittelt werden kann. Gegebenenfalls kann diese Reaktion an einer nahezu beliebigen Stelle im System erfolgen bzw. ermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird daher mindestens eine von der Stellgröße des Stellglieds abhängige Größe ermittelt, wobei die Stellgröße mit einem ersten periodischen Signal moduliert wird. Weiterhin wird ein die Größe charakterisierendes Messsignal unter Verwendung mindestens eines zweiten periodischen Signals ausgewertet, welches möglichst dieselbe Frequenz wie das erste periodische Signal aufweist. Je nach der Ausgestaltung der Erfindung kann es ergänzend erforderlich sein, dass das zweite periodische Signal eine feste – vorzugsweise gleiche – Phase in Bezug auf das Messsignal aufweist. Dabei kann das Messsignal infolge von Laufzeiteffekten des Systems gegenüber dem ersten periodischen Signal eine von Null verschiedene Phase aufweisen. Darüber hinaus kann ein jeweiliger Betriebszustand des Systems die Laufzeiten bzw. Phasen beeinflussen.
Durch die Modulation der Stellgröße wird eine Voraussetzung geschaffen, das Stellglied frequenzselektiv mittels eines so genannten ”Lock-in”-Verfahrens zu prüfen beziehungsweise zu überwachen, wobei der Störabstand zu unerwünschten Komponenten des Messsignals verbessert wird. Dadurch kann das erfindungsgemäß beaufschlagte Stellglied besser in Bezug auf sein Verhalten bewertet und somit Fehler sicherer erkannt werden. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auf verschiedene Weise durchgeführt werden, das heißt, es kann mittels einer elektronischen Schaltung oder mittels einer digitalen Datenverarbeitung (”Software”) in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Systems durchgeführt werden. Ebenso ist es möglich, die Durchführung des Verfahrens beliebig auf beide Alternativen aufzuteilen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das Steuern der Stellgröße des Stellglieds – insbesondere eines Stellglieds einer Abgasrückführung – besonders einfach, schnell und zuverlässig geprüft und/oder überwacht werden kann. Außerdem kann das Verfahren in einem weiten Betriebsbereich des Systems – stationär und/oder dynamisch – angewendet werden, und somit eine kontinuierliche Diagnose ermöglichen. Eine dazu erforderliche Phasenanpassung zwischen dem Messsignal und dem zweiten periodischen Signal erfolgt automatisch oder ist sogar entbehrlich. Eine manuelle Einstellung der Phase ist ebenfalls nicht erforderlich. Weiterhin können Gesetzesanforderungen besser erfüllt werden, und Ausfällen von Systemkomponenten kann vorgebeugt werden. Zur Durchführung des Verfahrens sind zusätzliche Sensoren und dergleichen häufig nicht erforderlich, wodurch Kosten gespart werden können.
Das Verfahren ist besonders nützlich, wenn das System ein hydraulisches oder pneumatisches System ist, insbesondere ein Luftsystem und/oder ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Durch die verfahrensbedingten Vorteile können Gesetzesauflagen zum Betreiben der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs einfacher und zuverlässiger erfüllt werden.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass das Stellglied ein Abgasrückführventil, ein Ladedrucksteller eines Turboladers, insbesondere ein VTG-Steller oder ein Waste-Gate-Steller des Turboladers, oder eine Drosselklappe zur Steuerung eines Luftmassenstroms ist. Beispielsweise kann mittels einer Ladedruckregelklappe ein Bypass um den Turbolader herum in seinem Durchströmquerschnitt verändert werden. Diese Elemente können besonders kritisch sein für den Betrieb der das Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine und/oder für die Einhaltung entsprechender gesetzlicher Vorschriften. Durch das frequenzselektive Verfahren kann die Zuverlässigkeit einer Diagnose dieser Elemente gesteigert werden. Die Brennkraftmaschine kann als Dieselmotor, als Ottomotor oder als sonstige Brennkraftmaschine ausgeführt sein. Die besagte Drosselklappe kann auch ein sonstiges Stellglied zur Steuerung des Luftmassenstroms im Ansaugweg der Brennkraftmaschine sein. Die Abkürzung ”VTG” bedeutet ”Variable Turbinen-Geometrie”, wodurch es ermöglicht wird, die Leitschaufelstellung einer Turbine bzw. eines Turboladers zu verändern.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das erste periodische Signal ein Rechtecksignal oder ein Sinussignal ist. Das Sinussignal hat den Vorteil, dass nur ein einziger Frequenzanteil zur Anregung des Stellglieds bzw. des Systems verwendet wird. Das Rechtecksignal hat den Vorteil, dass es – bei digitaler Signalverarbeitung – mit geringer Abtastrate besser darstellbar bzw. besser ermittelbar ist als ein Sinussignal gleicher Frequenz.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das zweite periodische Signal mittels eines Phasenregelkreises aus dem Messsignal abgeleitet wird. Dies kann – bei Durchführung des Verfahrens mittels einer elektronischen Schaltung – beispielsweise unter Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) erfolgen. Dieser stellt eine Art ”Referenzsignal” dar, aus dem – gegebenenfalls nach Anpassung der Phasenlage – das zweite periodische Signal gebildet wird. Bei Durchführung mittels Software können äquivalente Algorithmen oder Verfahrensschritte angewendet werden. Das so abgeleitete Referenzsignal beziehungsweise das zweite periodische Signal kann sinusförmig oder rechteckförmig sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das zweite periodische Signal ohne eine Verwendung des ersten periodischen Signals abgeleitet werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das zweite periodische Signal mittels eines Phasenregelkreises aus dem ersten periodischen Signal und dem Messsignal abgeleitet wird. Dabei umfasst der Phasenregelkreis anstelle des Oszillators bzw. des Referenzsignals ein vergleichsweise einfaches Phasenstellglied, welches mit dem ersten periodischen Signal angesteuert wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Frequenz des zweiten periodischen Signals stets der Frequenz des ersten periodischen Signals entspricht, wodurch Einschwingzeiten vermindert und die Zuverlässigkeit der Diagnose erhöht werden können.
Für beide zuletzt beschriebenen Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass das Messsignal mit dem zweiten periodischen Signal multipliziert wird, und dass das so gebildete Produkt gefiltert – beispielsweise mittels eines PT1-Gliedes (Tiefpass) – und mit einem Schwellwert verglichen wird. Dabei wird das zweite periodische Signal vorzugsweise derart erzeugt, dass es sich in Phase zu dem Messsignal befindet und somit das durch die Multiplikation gebildete Produkt (”Lock-in”-Signal) maximal werden kann. Dadurch kann die Auswertung des Messsignals frequenzselektiv erfolgen, so dass nach der Filterung im Wesentlichen nur die durch das erste periodische Signal verursachten Signalkomponenten übrig bleiben. Dadurch wird der Störabstand verbessert. Die so erfolgte Auswertung des Messsignals kann nachfolgend dazu verwendet werden, das verfahrensgemäß beaufschlagte Stellglied in Bezug auf mögliche Fehler bzw. ein fehlerhaftes Verhalten zu bewerten. Ergänzend ist vorgesehen, dass ein dabei ermittelter Kennlinien-Gradient mit einem applizierten Kennlinien-Gradienten verglichen wird. Dabei verhält sich das gefilterte Produkt – also das Ausgangssignal des PT1-Gliedes – im Wesentlichen proportional zu dem Gradienten der Messgröße in Bezug auf die Stellgröße des Stellglieds (”Stellerposition”) beziehungsweise des ersten periodischen Signals.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das zweite periodische Signal aus dem ersten periodischen Signal abgeleitet wird, wobei das zweite periodische Signal eine erste Phase in Bezug auf das erste periodische Signal aufweist, und dass ein drittes periodisches Signal aus dem ersten oder aus dem zweiten periodischen Signal abgeleitet wird, wobei das dritte periodische Signal eine zweite Phase in Bezug auf das zweite periodische Signal aufweist. Diese Ausgestaltung schafft die Voraussetzung zu einer synchronen, komplexwertigen ”Demodulation” des Messsignals. Dadurch ist eine besonders schnelle und sichere Auswertung des Messsignals und somit eine ”robuste” Diagnose des Stellglieds möglich. Auch der Rechenaufwand und der Speicherbedarf in einer das Verfahren durchführenden Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann dadurch gesenkt werden. Insbesondere kann das Messsignal im Wesentlichen unabhängig von einem konkreten Wert der besagten ersten Phase bewertet werden, sofern die erste Phase wenigstens in etwa konstant bleibt oder nur vergleichsweise langsame Änderungen aufweist. Dadurch ist ein Phasenregelkreis für einen ”automatischen Phasenabgleich” zur Erzeugung des zweiten periodischen Signals entbehrlich.
Alternativ dazu ist vorgesehen, dass das zweite periodische Signal mittels eines Phasenregelkreises aus dem Messsignal abgeleitet wird, wobei das zweite periodische Signal eine erste Phase in Bezug auf das Messsignal aufweist, und dass das dritte periodische Signal aus dem zweiten periodischen Signal oder dem Messsignal abgeleitet wird, wobei das dritte periodische Signal eine zweite Phase in Bezug auf das zweite periodische Signal aufweist. Somit kann die Ableitung des zweiten und des dritten periodischen Signals allein aus dem Messsignal unter Verwendung eines Phasenregelkreises (”PLL”) und ergänzend mittels eines Phasendrehglieds erfolgen. Dadurch ist ein unmittelbarer Bezug zu dem ersten periodischen Signal nicht erforderlich, wodurch das Verfahren gegebenenfalls vereinfacht werden kann. Beispielsweise kann der Phasenregelkreis ein zu dem Messsignal im Wesentlichen phasenstarres ”Referenzsignal” erzeugen, aus dem nachfolgend das zweite und das dritte periodische Signal abgeleitet werden.
Für beide zuletzt beschriebenen Ausgestaltungen ist ergänzend vorgesehen, dass die zweite Phase in etwa 90° beträgt. Dadurch wird eine Art ”Quadratur-Demodulation” durchgeführt, welche für das erfindungsgemäße Verfahren einfach anzuwenden ist und ein besonders genaues Ergebnis liefern kann.
Für beide zuletzt beschriebenen Ausgestaltungen ist weiterhin vorgesehen, dass das zweite und das dritte periodische Signal mit dem Messsignal multipliziert werden, und dass die so gebildeten Produkte quadriert werden, und dass die so gebildeten Quadrate addiert werden, und dass die Summe mit einem Schwellwert verglichen wird. Zusätzlich kann auf die Summe der Quadrate vor dem Vergleich mit dem Schwellwert auch eine Wurzeloperation angewendet werden. Sofern die zweite Phase 90° beträgt, können die nachfolgend erläuterten mathematischen Beziehungen verwendet werden: Y_LocklnOut1 ~ A·cos(θ) Y_LocklnOut2 ~ A·cos(θ – 90°) oder Y_LocklnOut2 ~ A·sin(θ) S = √(Y_LocklnOut1 ² + Y_LocklnOut2 ²) sin²(x) + cos²(x) = 1; wobei

Y_LocklnOut1: = Produkt des zweiten periodischen Signals mit dem Messsignal,
Y_LocklnOut2: = Produkt des dritten periodischen Signals mit dem Messsignal,
A: = Amplitude des Messsignals entsprechend der durch das erste periodische Signal durchgeführten Modulation,
θ: = Phasendifferenz zwischen dem zweiten periodischen Signal und dem Messsignal; und
S: = Wurzel aus der Summe der Quadrate von Y_LocklnOut1 und Y_LocklnOut2.

Man erkennt, dass die Größe S ein Signal liefern kann, welches im Wesentlichen von der Amplitude A, und nicht von der Phasendifferenz θ, abhängt. Damit ist es nicht von Bedeutung, ob das Referenzsignal beziehungsweise das zweite und das dritte periodische Signal zu dem Messsignal in einer bestimmten Phasenbeziehung steht oder nicht.
Besonders nützlich ist es, wenn eine Frequenz des ersten periodischen Signals in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs gewählt wird, insbesondere, dass die Frequenz und die Drehzahl zueinander ein nicht ganzzahliges Verhältnis aufweisen. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, störende Komponenten des Messsignals, welche – zufällig – die Frequenz des zweiten bzw. dritten periodischen Signals aufweisen, jedoch nicht durch die erfindungsgemäße Modulation mittels des ersten periodischen Signals verursacht werden, aus dem für das Verfahren wesentlichen Frequenzbereich herauszuhalten. Störungen durch andere bereits im System vorhandene Frequenzen werden also möglichst vermieden. Beispielsweise können solche störenden Komponenten von der Kurbelwellendrehzahl oder der Nockenwellendrehzahl abhängig sein, und gegebenenfalls durch die Betätigung der Einlassventile und/oder der Auslassventile verursacht werden. Insbesondere ist es erfindungsgemäß möglich, die Frequenz des ersten periodischen Signals dynamisch in Abhängigkeit der jeweiligen Drehzahl der Brennkraftmaschine anzupassen. Dadurch kann die Genauigkeit des Verfahrens weiter verbessert werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass es mindestens teilweise mittels eines Computerprogramms durchgeführt wird. Damit sind die Mittel zur Durchführung des Verfahrens nahezu beliebig auf elektronische Schaltungen (”Hardware”) und auf das Computerprogramm (”Software”) aufteilbar. Beispielsweise kann das Verfahren mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden, wobei diese einen Speicher umfasst, auf dem das Computerprogramm abgespeichert ist.
Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in den nachfolgenden Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens;
2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens;
3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens;
4 ein erstes Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens; und
5 ein zweites Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt eine erste Prinzipdarstellung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 10. Dargestellt ist ein System 12 (”pneumatisches System”), vorliegend ein Luftsystem und eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine 15 eines Kraftfahrzeugs, welches entsprechend Pfeilen 14 in der Zeichnung von links nach rechts von Luft beziehungsweise Abgas der Brennkraftmaschine 15 durchströmt wird. Im linken oberen Bereich der Zeichnung ist ein Stellglied 16 angeordnet, welches vorliegend ein Ventil zur Steuerung einer Abgasrückführung ist und einen steuerbaren Durchströmquerschnitt (”Stellgröße”) aufweist, mit dem eine Luftmenge beziehungsweise Abgasmenge in einem Rohrsystem 18 gesteuert werden kann. Das Rohrsystem 18 ist Teil des pneumatischen Systems 12, also des Luftsystems beziehungsweise des Abgassystems. Über eine Frischluftzuführung 17 wird Frischluft in Richtung eines Pfeils 19 zum Betrieb der Brennkraftmaschine 15 zugeführt.
Ein Generator 20 erzeugt ein erstes periodisches Signal 22, mittels welchem über einen (nicht dargestellten) Aktuator der Durchströmquerschnitt des Stellglieds 16 gesteuert werden kann. Dadurch wird vorliegend eine Modulation des Durchströmquerschnitts beziehungsweise der das Stellglied 16 durchströmenden Abgasmenge erreicht. Rechts oben in der Zeichnung ist in dem pneumatischen System 12 ein Sensor 24 im Abgasstrang des Kraftfahrzeuges angeordnet. Der Sensor 24 umfasst beispielsweise eine (nicht dargestellte) Abgassonde. Vorliegend ist eine in dem Sensor 24 ermittelte Größe 26 abhängig von dem Durchströmquerschnitt des Stellglieds 16. Ein Block 28 erzeugt aus einem die Größe 26 charakterisierenden Signal ein Messsignal 30.
Im unteren Bereich der Zeichnung von 1 ist eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Messsignals 30 angeordnet. Die Auswerteeinrichtung umfasst eine Regeleinrichtung 32, welche einen Phasenvergleicher – beispielsweise einen Multiplizierer – und einen Regelverstärker – beispielsweise einen so genannten PI-Regler – umfasst, einen in seiner Frequenz steuerbaren Generator 34 zur Erzeugung eines oszillierenden Referenzsignals 36, ein Phasendrehglied 38, welches vorliegend eine Phasendrehung um 90° durchführt, einen Multiplizierer 40, welcher ein von dem Phasendrehglied 38 erzeugtes zweites periodisches Signal 47 mit dem Messsignal 30 multipliziert, ein Filter 42, in dem ein von dem Multiplizierer 40 erzeugtes Produkt 50 gefiltert wird, sowie einen Vergleicher 44, welcher ein Ausgangssignal des Filters 42 gegen einen Schwellwert 46 vergleichen kann. Ein Ausgangssignal 48 des Vergleichers 44 wird nachfolgend weiteren Einrichtungen zur Auswertung des Verfahrens 10 bzw. zur Bewertung des Zustands des Stellglieds 16 zugeführt Diese Einrichtungen sind in der 1 jedoch nicht mit dargestellt.
Alternativ zu dem im Abgasstrang angeordneten Sensor 24 kann die Größe 26 auch mittels eines anderen Sensors des Systems 12 ermittelt werden, sofern die Größe 26 von der Stellgröße des Stellglieds 16 abhängig ist. Beispielsweise kann die Größe 26 ein Ladedruck oder ein Luftmassenstrom in der Frischluftzuführung 17 sein, und der Sensor 24 kann beispielsweise ein Heißfilmluftmassenmesser sein. Dies ist in der 1 jedoch nicht dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren 10 wird durchgeführt, indem der Durchströmquerschnitt des Stellglieds 16 wenigstens zeitweise durch das erste periodische Signal 22 moduliert wird. Dabei wird eine Amplitude dieser Modulation derart eingestellt, dass ein ordnungsgemäßer Betrieb des pneumatischen Systems 12 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann die Amplitude so eingestellt werden, dass deren Einfluss auf das Luftsystem und/oder das Abgassystem näherungsweise linear ist. Somit wird die Wirkung der erfindungsgemäßen Modulation ausgemittelt und bleibt daher im Wesentlichen neutral in Bezug auf die Entstehung von Ruß beziehungsweise Stickoxiden (NOx).
Die von dem Sensor 24 ermittelte Größe 26 weist bei einem ordnungsgemäßen Verhalten des Stellglieds 16 periodische Schwankungen auf, welche von der mittels des ersten periodischen Signals 22 erfolgten Modulation abhängig sind. Das Messsignal 30 weist dazu entsprechende Schwankungen auf. Beispielsweise ist der Generator 20 ein Sinusgenerator und entsprechend weist das Messsignal 30 einen wenigstens in etwa sinusförmigen Verlauf auf. Die Regeleinrichtung 32 vergleicht fortlaufend die Phase des Messsignals 30 mit der Phase des Referenzsignals 36 und regelt die Frequenz des Generators 34 entsprechend der Frequenz und Phase des Messsignals 30 nach. Dies ist auch als so genannter Phasenregelkreis 49 (PLL) bekannt. Vorliegend erfolgt die Phasenregelung derart, dass die Phasen der an der Regeleinrichtung 32 anliegenden Eingangssignale zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen. Entsprechend wird die Phase des Referenzsignals 36 in dem Phasendrehglied 38 um einen Betrag von 90° verschoben, derart, dass die beiden Eingangssignale des Multiplizierers 40 zueinander im Wesentlichen einen Phasenunterschied von 0° aufweisen.
Der Multiplizierer 40 erzeugt ein Produkt 50, welches im Wesentlichen dem Quadrat einer Sinusfunktion entspricht. Das Produkt 50 wird nachfolgend im Filter 42 gefiltert, derart, dass im Wesentlichen eine Tiefpassfilterung vorgenommen wird. Dadurch können eventuelle Störsignale, welche Frequenzen außerhalb des durch den Generator 20 erzeugten Spektrums aufweisen, wirkungsvoll unterdrückt werden. Beispielsweise entspricht das Ausgangssignal des Filters 42 einem vergleichsweise langsamen veränderlichen Gleichspannungssignal. Dieses Signal wird nachfolgend in dem Vergleicher 44 mit dem Schwellwert 46 verglichen. Das Ausgangssignal 48 enthält daher die Information, ob der Schwellwert 46 aktuell überschritten oder unterschritten ist. Diese Information kann nachfolgend dazu verwendet werden, den Zustand bzw. die Funktionstüchtigkeit des Stellglieds 16 zu bewerten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Frequenz des ersten periodischen Signals 22 in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 15 des Kraftfahrzeugs gewählt wird, insbesondere, wenn die Frequenz und die Drehzahl zueinander ein nicht ganzzahliges Verhältnis aufweisen. Damit können störende Komponenten des Messsignals 30, welche zufällig die Frequenz des zweiten periodischen Signals 47 aufweisen, aus dem für das Verfahren 10 wesentlichen Frequenzbereich herausgehalten werden.
Es versteht sich, dass das in der 1 gezeigte pneumatische System 12 beziehungsweise das darauf angewendete Verfahren 10 nicht auf das dargestellte Stellglied 16 (Abgasrückführventil) sowie auf den dargestellten Sensor 24 (Abgassonde) beschränkt ist. Das Stellglied 16 kann also ein beliebiges Ventil des Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise eine Drosselklappe zur Steuerung eines Luftmassenstroms oder auch ein VTG-Steller (”VTG” = ”Variable Turbinen-Geometrie”) eines Turboladers. Der Sensor 24 kann ein beliebiger Sensor zur Ermittlung einer Größe 26 sein, sofern eine Veränderung der Stellgröße des Stellglieds 16 die Größe 26 beeinflussen kann. Ebenso versteht es sich, dass das in der 1 beschriebene Verfahren 10 zu beliebigen Teilen mittels einer elektronischen Schaltung und/oder mittels einer digitalen Datenverarbeitung (Computerprogramm) in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Systems bzw. des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden kann.
Die 2 zeigt eine zu der 1 alternative Prinzipdarstellung zur Durchführung des Verfahrens 10. Im Unterschied zu der 1 wird in der 2 das Referenzsignal 36 nicht aus dem Generator 34 erzeugt, sondern über einen Phasensteller 52 von dem ersten periodischen Signal 22 abgeleitet.
In der 2 vergleicht die Regeleinrichtung 32 die Phase des Messsignals 30 mit einem Ausgangssignal des Phasenstellers 52. Dabei ist das Ausgangssignal unmittelbar das Referenzsignal 36. Die Regeleinrichtung 32 regelt entsprechend einem Phasenunterschied des Messsignals 30 zu dem Referenzsignal 36 den durch den Phasensteller 52 einstellbaren Phasenversatz nach. Die Funktion der übrigen in der 2 dargestellten Blöcke entspricht denen der 1.
Die 3 zeigt eine dritte Prinzipdarstellung zur Durchführung des Verfahrens 10. Die Erzeugung des ersten periodischen Signals 22, der Betrieb des pneumatischen Systems 12 beziehungsweise des Luftsystems und des Abgassystems des Kraftfahrzeuges, sowie die Erzeugung des Messsignals 30 entspricht denen der 1 und 2. Im Unterschied zu den 1 und 2 wird in der 3 das Messsignal 30 nicht nur auf einen ersten Eingang des Multiplizierers 40, sondern ebenso auf einen ersten Eingang eines Multiplizierers 56 gegeben. Ein zweiter Eingang des Multiplizierers 40 wird von dem zweiten periodischen Signal 47 angesteuert, welches vorliegend aus dem ersten periodischen Signal 22 mittels eines Blocks 55 abgeleitet ist. Der Block 55 kann ein einfacher linearer Verstärker oder ein Spannungsteiler oder dergleichen sein. Ein zweiter Eingang des Multiplizierers 56 wird von einem dritten periodischen Signal 57 angesteuert, welches aus dem zweiten periodischen Signal 47 nach Durchlaufen des Phasendrehglieds 38 gebildet ist. Das in dem Multiplizierer 40 erzeugte Produkt 50 sowie das in dem Multiplizierer 56 erzeugte Produkt 58 werden jeweils in einem Filter 42 gefiltert. Die Ausgangssignale der Filter 42 werden jeweils in einem Quadrierer 60 beziehungsweise einem Quadrierer 62 quadriert. Anschließend werden die Ausgangssignale der Quadrierer 60 und 62 in einem Addierer 64 addiert. Aus einem Summensignal 66 des Addierers 64 wird in einem folgenden Block 68 die Quadratwurzel gezogen. Das Ausgangssignal des Blocks 68 wird in dem Vergleicher 44 mit dem Schwellwert 46 verglichen, ähnlich, wie es bereits in der 1 beschrieben worden war.
Im Betrieb weisen die jeweils zweiten Eingangssignale des Multiplizierers 40 und des Multiplizierers 56 zueinander einen Phasenversatz von 90° auf. Damit kann der folgende mathematische Ansatz aufgestellt werden: Y_LocklnOut1 ~ A·cos(θ) Y_LocklnOut2 ~ A·cos(θ – 90°) oder Y_LocklnOut2 ~ A·sin(θ) S = √(Y_LocklnOut1 ² + Y_LocklnOut2 ²) sin²(x) + cos²(x) = 1; wobei

Y_LocklnOut1: = Produkt 50 des zweiten periodischen Signals 47 mit dem Messsignal 30,
Y_LocklnOut2: = Produkt 58 des dritten periodischen Signals 57 mit dem Messsignal 30,
A: = Amplitude des Messsignals 30 entsprechend der durch das erste periodische Signal 22 durchgeführten Modulation,
θ: = Phasendifferenz zwischen dem zweiten periodischen Signal 47 und dem Messsignal 30; und
S: = Wurzel aus der Summe der Quadrate von Y_LocklnOut1 und Y_LocklnOut2.

Man erkennt, dass die Größe S bzw. das Summensignal 66 im Wesentlichen von der Amplitude A des Messsignals 30 und nicht von der Phasendifferenz θ abhängt. Dadurch ist es unerheblich, ob das zweite und das dritte periodische Signal 47 bzw. 57 zu dem Messsignal 30 eine bestimmte Phasenbeziehung aufweisen oder nicht.
Ebenso wie in den 1 und 2 wird das Ausgangssignal 48 des Vergleichers 44 nachfolgend weiteren Einrichtungen zur Auswertung des Verfahrens 10 bzw. zur Bewertung des Zustands des Stellglieds 16 zugeführt. Diese weiteren Einrichtungen sind in der 3 jedoch nicht dargestellt.
Alternativ kann das zweite und das dritte periodische Signal 47 und 57 auch unter Verwendung eines Phasenregelkreises 49 aus dem Messsignal 30 abgeleitet werden, ähnlich, wie es oben in der 1 beschrieben wurde. Dies ist in der 3 jedoch nicht gezeigt.
Die 4 zeigt ein erstes Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens 10. Die Abarbeitung des Flussdiagramms erfolgt in der 4 im Wesentlichen von oben nach unten. In einem ersten Block 70 wird geprüft, ob das pneumatische System 12, vorliegend das Luftsystem und das Abgassystem eines Kraftfahrzeugs, sich in einem geeigneten Zustand befinden, um das Verfahren 10 durchzuführen. Wenn diese sogenannten Freigabebedingungen vorliegen, wird ein folgender Block 72 angesprungen, mittels welchem das erste periodische Signal 22 (Stimulationssignal) erzeugt werden kann. Das erste periodische Signal 22 weist dazu eine bestimmte Amplitude und Frequenz auf und ist beispielsweise rechteckförmig. Nach Durchlaufen des Blocks 72 verzweigt die Abarbeitung des Flussdiagramms der 4 im Wesentlichen in einen linken Zweig und einen in der Zeichnung rechten Zweig.
In dem Block 74 des linken Zweigs wird der Durchströmquerschnitt des Stellglieds 16 mit dem ersten periodischen Signal 22 moduliert. In einem folgenden Block 76 wird mindestens eine Größe des pneumatischen Systems 12 ermittelt, beispielsweise ein Luftmassenstrom oder ein Ladedruck. Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Sensors 24, welcher beispielsweise ein Ladedruckfühler oder ein Luftmassenmesser ist. Ein Signal 78 des Blocks 76, welches die Größe 26 charakterisiert, wird in dem folgenden Block 28 einer Signalvorverarbeitung unterzogen, woraus das Messsignal 30 gebildet wird. Die Signalvorverarbeitung umfasst beispielsweise die Bildung eines gleitenden Mittelwerts und eine anschließende Subtraktion dieses Mittelwerts von dem Signal 78.
In einem ersten Block 80 des in der Zeichnung von 4 rechten Zweiges wird nach dem Durchlaufen des Blocks 72 ein ”Testsignal” berechnet. Die in der 4 dargestellten Verfahrensschritte sind den Elementen der 2 in weiten Teilen ähnlich oder gleich. Das in dem Block 80 erzeugte Ausgangssignal 81 wird zusammen mit dem im Block 28 erzeugten Messsignal 30 in einem folgenden Block 82 dazu benutzt, um einen automatischen Phasenabgleich herbeizuführen (erster ”Lock-in”-Verstärker) und somit das Referenzsignal 36 zu erzeugen. Das Referenzsignal 36 wird in einem folgenden Block 83, welcher im Wesentlichen dem Phasendrehglied 38 entspricht, dazu benutzt, eine geeignete Phasenverschiebung – vorzugsweise 90° – zur Ansteuerung des Multiplizierers 40 (zweiter ”Lock-in”-Verstärker) herbeizuführen.
Das Ausgangssignal des Blocks 83 wird im Block 84 dazu verwendet, das zweite periodische Signal 47 zu erzeugen. Der in der Zeichnung der 4 linke Zweig und der rechte Zweig werden nachfolgend in einem Block 86 wieder zusammengeführt, indem das Messsignal 30 mit dem zweiten periodischen Signal 47 multipliziert wird. Ergänzend wird im Block 86 eine Filterung des Produkts 50 durchgeführt. Somit wird ein ”Lock-in-Signal” aus dem zweiten periodischen Signal 47 und dem Messsignal 30 berechnet (zweiter ”Lock-in”-Verstärker). Im folgenden Block 44 wird eine Symptombildung derart hergestellt, dass das Ausgangssignal des Blocks 86 gegen den Schwellwert 46 verglichen wird. Aus dem Ergebnis des Vergleichs wird in einem folgenden Block 88 eine Symptomauswertung, das heißt eine Fehlererkennung durchgeführt. Damit kann beurteilt werden, ob das in dem Block 74 modulierte Stellglied 16 sich in einem ordnungsgemäßen Zustand befindet.
Die 5 zeigt ein weiteres und zu der 4 alternatives Flussdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 10. Viele der in der 5 dargestellten Elemente und/oder Verfahrensschritte sind denen der 3 ähnlich oder gleich.
Die Blöcke 70, 72, 74, sowie 76 und 28 der 5 entsprechen denen der 4. Ähnlich wie in der 4 erfolgt die Abarbeitung des in der 5 dargestellten Flussdiagramms im Wesentlichen in der Zeichnung von oben nach unten.
Aus dem Ausgangssignal des Blocks 72 – also dem ersten periodischen Signal 22 – wird in einem Block 90 das zweite periodische Signal 47 gebildet. Das zweite periodische Signal 47 entspricht im Wesentlichen dem ersten periodischen Signal 22; es weist jedoch gegebenenfalls eine andere Phase dazu auf. Das zweite periodische Signal 47 wird im folgenden Block 92, welcher im Wesentlichen dem Phasendrehglied 38 entspricht, um 90° in seiner Phase gedreht. Daraus ergibt sich das dritte periodische Signal 57.
Ein nachfolgender erster Multiplizierer 40 (erster ”Lock-in”-Verstärker) wird an seinem ersten Eingang von dem Messsignal 30 angesteuert und an seinem zweiten Eingang von dem zweiten periodischen Signal 47. Ein zweiter Multiplizierer 56 (zweiter ”Lock-in”-Verstärker) wird an seinem ersten Eingang von dem Messsignal 30 und an seinem zweiten Eingang von dem dritten periodischen Signal 57 angesteuert. Aus den beiden Ausgangssignalen der Multiplizierer 40 und 56 wird in einem folgenden Block 94 die geometrische Summe berechnet, ähnlich wie dies in der 3 dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Blocks 94 wird im folgenden Vergleicher 44 gegen den Schwellwert 46 verglichen. Das Ausgangssignal des Vergleichers 44 wird in einem folgenden Block 88 dazu benutzt, die Symptomauswertung (Fehlererkennung) durchzuführen.
Das Verfahren 10 gemäß dem Flussdiagramm der 5 hat den Vorteil, dass das Ausgangssignal des Blocks 94 im Wesentlichen nur von der Amplitude der in dem Block 74 durchgeführten Modulation des Durchströmquerschnitts des Stellglieds 16 abhängt, jedoch nicht mehr von einer Phasendifferenz zwischen dem jeweiligen Messsignal 30 und den jeweiligen zweiten Eingangssignalen der Multiplizierer 40 und 56. Das heißt, es ist nicht von Bedeutung, ob das zweite und das dritte periodische Signal 47 und 57 zu dem Messsignal 30 in Phase sind oder nicht. Dadurch wird die Durchführung des Verfahrens 10 deutlich vereinfacht und robuster gemacht.

Claims

Verfahren (10) zum Betreiben eines Systems (12), bei dem eine Stellgröße eines Stellglieds (16) gesteuert werden kann, und bei dem mindestens eine von der Stellgröße des Stellglieds (16) abhängige Größe (26) ermittelt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße des Stellglieds (16) mit einem ersten periodischen Signal (22) moduliert wird, und dass ein die mindestens eine Größe (26) charakterisierendes Messsignal (30) unter Verwendung mindestens eines zweiten periodischen Signals (47) ausgewertet wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (12) ein hydraulisches oder pneumatisches System (12) ist, insbesondere ein Luftsystem und/oder ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine (15) eines Kraftfahrzeugs.
Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (16) ein Abgasrückführventil, ein Ladedrucksteller eines Turboladers, insbesondere ein VTG-Steller oder ein Waste-Gate-Steller des Turboladers, oder eine Drosselklappe zur Steuerung eines Luftmassenstroms ist.
Verfahren (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste periodische Signal (22) ein Rechtecksignal oder ein Sinussignal ist.
Verfahren (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite periodische Signal (47) mittels eines Phasenregelkreises (49) aus dem Messsignal (30) abgeleitet wird.
Verfahren (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite periodische Signal (47) mittels eines Phasenregelkreises (49) aus dem ersten periodischen Signal (22) und dem Messsignal (30) abgeleitet wird.
Verfahren (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (30) mit dem zweiten periodischen Signal (47) multipliziert wird, und dass das so gebildete Produkt (50) gefiltert und mit einem Schwellwert (46) verglichen wird.
Verfahren (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite periodische Signal (47) aus dem ersten periodischen Signal (22) abgeleitet wird, wobei das zweite periodische Signal (47) eine erste Phase in Bezug auf das erste periodische Signal (22) aufweist, und dass ein drittes periodisches Signal (57) aus dem ersten oder aus dem zweiten periodischen Signal (22; 47) abgeleitet wird, wobei das dritte periodische Signal (57) eine zweite Phase in Bezug auf das zweite periodische Signal (47) aufweist.
Verfahren (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite periodische Signal (47) mittels eines Phasenregelkreises (49) aus dem Messsignal (30) abgeleitet wird, wobei das zweite periodische Signal (47) eine erste Phase in Bezug auf das Messsignal (30) aufweist, und dass ein drittes periodisches Signal (57) aus dem zweiten periodischen Signal (47) oder dem Messsignal (30) abgeleitet wird, wobei das dritte periodische Signal (57) eine zweite Phase in Bezug auf das zweite periodische Signal (47) aufweist.
Verfahren (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase in etwa 90° beträgt.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und das dritte periodische Signal (47, 57) mit dem Messsignal (30) multipliziert werden, und dass die so gebildeten Produkte (50, 58) quadriert werden, und dass die so gebildeten Quadrate addiert werden, und dass die Summe mit einem Schwellwert (46) verglichen wird.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz des ersten periodischen Signals (22) in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (15) des Kraftfahrzeugs gewählt wird, insbesondere, dass die Frequenz und die Drehzahl zueinander ein nicht ganzzahliges Verhältnis aufweisen.
Verfahren (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens teilweise mittels eines Computerprogramms durchgeführt wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine (15) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche abgespeichert ist.