DE102012200032B4 - Method and device for dynamic diagnosis of sensors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Dynamik-Diagnose von Sensoren einer Brennkraftmaschine (10), wobei die Sensoren geometrieabhängig und bedingt durch Alterung oder Verschmutzung ein Tiefpassverhalten aufweisen, wobei bei einer Änderung einer Eingangsgröße auf der Basis eines modellierten und eines gemessenen Signals eine Dynamik-Diagnose durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals des Sensors und das modellierte Signal ein Modellwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Steigung (23) einer Sprungantwort eines geschlossenen Regelkreises für den Sensor auf eine sprunghafte Änderung der Eingangsgröße für alle sinnvollen Kombinationen von Regler- und Streckenparametern (22.1, 22.2, 21.1 und 21.2) des Modells anhand von Simulationen bestimmt und daraus eine Zeitkonstante (24) für den Sensor abgeleitet und anhand der ermittelten Zeitkonstante (24) die Dynamik-Diagnose des Sensors durchgeführt wird, wobei mit den Parametern der Simulation und der daraus resultierenden Steigung ein inverses Referenzmodell trainiert wird.Method for the dynamic diagnosis of sensors of an internal combustion engine (10), wherein the sensors have a low-pass behavior depending on the geometry and due to aging or contamination, a dynamic diagnosis being carried out when an input variable changes on the basis of a modeled and a measured signal, and wherein the measured signal is an actual value of an output signal of the sensor and the modeled signal is a model value, characterized in that a maximum slope (23) of a step response of a closed control loop for the sensor to a sudden change in the input variable for all sensible combinations of controller and system parameters (22.1, 22.2, 21.1 and 21.2) of the model are determined based on simulations and a time constant (24) for the sensor is derived from this and the dynamics diagnosis of the sensor is carried out based on the determined time constant (24), with the parameters of the simulation and an inverse reference model is trained based on the resulting gradient.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dynamik-Diagnose von Sensoren einer Brennkraftmaschine, wobei die Sensoren geometrieabhängig und bedingt durch Alterung oder Verschmutzung ein Tiefpassverhalten aufweisen, wobei bei einer Änderung einer Eingangsgröße auf der Basis eines modellierten und eines gemessenen Signals eine Dynamik-Diagnose durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals des Sensors und das modellierte Signal ein Modellwert ist.The invention relates to a method for the dynamic diagnosis of sensors of an internal combustion engine, wherein the sensors have a low-pass behavior depending on the geometry and due to aging or contamination, with a dynamic diagnosis being carried out when an input variable changes on the basis of a modeled and a measured signal and where the measured signal is an actual value of an output signal of the sensor and the modeled signal is a model value.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention further relates to a device for carrying out the method.

Zur Reduktion der Emission in PKW mit Ottomotoren werden üblicherweise 3-Wege-Katalysatoren als Abgasreinigungsanlagen verwendet, die nur dann ausreichend Abgase konvertieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mit hoher Präzision eingeregelt wird. Zu diesem Zweck wird das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mittels einer der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Abgassonde, häufig in Form einer stetigen Lambdasonde, gemessen.To reduce emissions in cars with gasoline engines, 3-way catalytic converters are usually used as exhaust gas purification systems, which only convert sufficient exhaust gases if the air-fuel ratio λ is regulated with high precision. For this purpose, the air-fuel ratio λ is measured using an exhaust gas probe upstream of the exhaust gas purification system, often in the form of a continuous lambda probe.

Das Speichervermögen einer derartigen Abgasreinigungsanlage für Sauerstoff wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen wieder abzugeben. Hierdurch wird erreicht, dass oxydierbare Schadgaskomponenten des Abgases konvertiert werden können. Eine der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde dient dabei der Überwachung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit muss im Rahmen der On-Board-Diagnose überwacht werden, da sie ein Maß für die Konvertierungsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage darstellt. Zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit wird entweder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Magerphase mit Sauerstoff belegt und anschließend in einer Fettphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge entleert oder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Fettphase von Sauerstoff entleert und anschließend in einer Magerphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge aufgefüllt. Die Magerphase wird beendet, wenn die der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde den Sauerstoff detektiert, der nicht mehr von der Abgasreinigungsanlage gespeichert werden kann. Ebenso wird eine Fettphase beendet, wenn die Abgassonde den Durchtritt von fettem Abgas detektiert. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage entspricht der während der Fettphase zur Entleerung zugeführten Menge an Reduktionsmittel bzw. während der Magerphase zur Auffüllung zugeführten Menge an Sauerstoff. Die genauen Mengen werden aus dem Signal der vorgelagerten Abgassonde und dem aus anderen Sensorsignalen ermittelten Abgasmassenstrom berechnet.The oxygen storage capacity of such an exhaust gas purification system is used to absorb oxygen in lean phases and release it again in rich phases. This ensures that oxidizable harmful gas components of the exhaust gas can be converted. An exhaust gas probe connected downstream of the exhaust gas purification system is used to monitor the oxygen storage capacity of the exhaust gas purification system. The oxygen storage capacity must be monitored as part of the on-board diagnosis, as it represents a measure of the conversion ability of the exhaust gas purification system. To determine the oxygen storage capacity, either the exhaust gas purification system is first filled with oxygen in a lean phase and then emptied in a rich phase with a lambda value known in the exhaust gas, taking into account the amount of exhaust gas passing through, or the exhaust gas purification system is first emptied of oxygen in a rich phase and then in a lean phase filled with a lambda value known in the exhaust gas, taking into account the amount of exhaust gas passing through. The lean phase is ended when the exhaust gas probe connected downstream of the exhaust gas purification system detects the oxygen that can no longer be stored by the exhaust gas purification system. Likewise, a rich phase is ended when the exhaust gas probe detects the passage of rich exhaust gas. The oxygen storage capacity of the exhaust gas purification system corresponds to the amount of reducing agent supplied for emptying during the rich phase or the amount of oxygen supplied for filling during the lean phase. The exact quantities are calculated from the signal from the upstream exhaust gas sensor and the exhaust gas mass flow determined from other sensor signals.

Nimmt die Dynamik der vorgelagerten Abgassonde ab, z.B. auf Grund von Verschmutzungen oder Alterung, so kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht mehr mit der erforderlichen Präzision eingeregelt werden, so dass die Konvertierungsleistung der Abgasreinigungsanlage nachlässt. Weiterhin können sich Abweichungen in der Diagnose der Abgasreinigungsanlage ergeben, die dazu führen können, dass eine an sich korrekt arbeitende Abgasreinigungsanlage fälschlich als nicht funktionsfähig bewertet wird.If the dynamics of the upstream exhaust gas sensor decreases, e.g. due to contamination or aging, the air-fuel ratio can no longer be regulated with the required precision, so that the conversion performance of the exhaust gas purification system decreases. Furthermore, deviations can arise in the diagnosis of the exhaust gas purification system, which can lead to an exhaust gas purification system that is actually working correctly being incorrectly assessed as not functioning.

Der Gesetzgeber verlangt eine Diagnose der Sondeneigenschaften während des Fahrbetriebs, um sicherzustellen, dass das geforderte Luft-Kraftstoffverhältnis weiterhin ausreichend genau eingestellt werden kann, die Emissionen die zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten und die Abgasreinigungsanlage korrekt überwacht wird. U.a. muss eine Verschlechterung der Sonden-Dynamik erkannt werden, die sich durch eine vergrößerte Zeitkonstante und/ oder Totzeit bemerkbar machen kann. Dabei muss zusätzlich zwischen einer Richtungsabhängigkeit (fett zu mager oder mager zu fett) unterschieden werden. Da der Lambdaregler für den fehlerfreien Fall appliziert ist, kann eine Verschlechterung der Sonden-Dynamik zu einem Schwingen des LambdaReglers und damit des Luft-Kraftstoffverhältnisses führen, was die Emission erhöht und zu Problemen beim Fahren führen kann.The law requires a diagnosis of the probe properties during driving to ensure that the required air-fuel ratio can still be set with sufficient precision, that emissions do not exceed the permissible limits and that the exhaust gas purification system is monitored correctly. Among other things, a deterioration in the probe dynamics must be recognized, which can become noticeable through an increased time constant and/or dead time. An additional distinction must be made between directional dependence (rich to lean or lean to rich). Since the lambda controller is designed to be error-free, a deterioration in the sensor dynamics can cause the lambda controller and thus the air-fuel ratio to oscillate, which increases emissions and can lead to problems when driving.

Aus der DE 10 2008 042 549 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit einer Abgassonde bekannt, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs durchgeführt wird und wobei das Signal ein Ausgangssignal der Abgassonde oder ein aus dem Ausgangssignal abgeleitetes modelliertes oder gemessenes Signal ist. Dabei ist es vorgesehen, dass ein erster Extremwert im Verlauf des modellierten Signals bestimmt wird und dass ein erster Zeitpunkt und ein erster Startwert bestimmt werden, wenn das modellierte Signal um einen vorbestimmten Betrag von dem ersten Extremwert abweicht, dass ein zweiter Extremwert im Verlauf des gemessenen Signals bestimmt wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert bestimmt werden, wenn das gemessene Signal um den vorbestimmten Betrag von dem zweiten Extremwert abweicht, dass ein erstes Integral über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem modellierten Signal gebildet wird und dass ein zweites Integral über einen zweiten Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem gemessenen Signal gebildet wird, dass der zweite Zeitraum gleich dem vorbestimmten Zeitraum ist oder dass das Ende des zweiten Zeitraums bezogen auf den Zeitpunkt der Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses oder bezogen auf den ersten Zeitpunkt festgelegt wird und dass aus einem quantitativen Vergleich zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral ein quantitativer Vergleichswert gebildet wird, aus dem auf die Anstiegsgeschwindigkeit und/ oder die Totzeit der Abgassonde geschlossen wird.From the DE 10 2008 042 549 A1 is a method and a device for diagnosing the rate of rise and the dead time of an exhaust gas probe, which is arranged in an exhaust duct of an internal combustion engine, the diagnosis being based on a comparison of a modeled and a measured signal after a predetermined change in a fuel-air ratio air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine is carried out and the signal is an output signal of the exhaust gas probe or a modeled or measured signal derived from the output signal. It is provided that a first extreme value is determined in the course of the modeled signal and that a first point in time and a first starting value are determined when the modeled signal deviates from the first extreme value by a predetermined amount, that a second extreme value in the course of the measured signal is determined. Furthermore, it is provided that a second time and a second starting value are determined if that measured signal deviates from the second extreme value by the predetermined amount, that a first integral is formed over a predetermined period of time, starting at the first time, via the difference between the first starting value and the modeled signal and that a second integral over a second period of time, starting at the second time, via the difference between the second starting value and the measured signal, it is formed that the second period is equal to the predetermined period or that the end of the second period is based on the time of the change in the fuel-air ratio or related is set to the first point in time and that a quantitative comparison value is formed from a quantitative comparison between the first integral and the second integral, from which a conclusion is drawn about the rate of rise and / or the dead time of the exhaust gas probe.

Dieses Verfahren verwendet sprungartige Verstellungen des Luft-Kraftstoffverhältnisses, anhand derer die Dynamik der Abgassonde bewertet wird, wobei zusätzlich eine Richtungsabhängigkeit, d.h. von fett zu mager oder von mager zu fett, unterschieden wird. Dafür wird für eine gewisse Zeitspanne nach dem Sprung die Fläche unter dem Lambdasignal der Abgassonde aufintegriert und mit einer analog berechneten Fläche eines im Steuergerät modellierten Lambdasignals ins Verhältnis gesetzt. Ist das berechnete Verhältnis kleiner als eine applizierbare Schwelle, so genügt die Abgassonde nicht mehr dem geforderten Dynamikverhalten.This method uses sudden adjustments of the air-fuel ratio, which are used to evaluate the dynamics of the exhaust gas sensor, whereby a directional dependency, i.e. from rich to lean or from lean to rich, is also distinguished. For this purpose, the area under the lambda signal of the exhaust gas probe is integrated for a certain period of time after the jump and put in relation to an analog calculated area of a lambda signal modeled in the control unit. If the calculated ratio is smaller than an applicable threshold, the exhaust gas probe no longer meets the required dynamic behavior.

Ein weiteres Verfahren - hier Steigungsverfahren genannt - verwendet ebenfalls sprungartige Verstellungen des Luft-Kraftstoffverhältnisses und bestimmt innerhalb einer gewissen Zeitspanne nach dem Sprung die betragsmäßig maximale Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses. Die Zeitspanne zur Auswertung ergibt sich durch einen applizierbaren Hub, um den sich das gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis nach dem Sprung ändern darf. Diese Zeitspanne wird als Totzeit interpretiert, korrigiert um die Differenz zwischen dem Zeitpunkt zum Ende der Auswertung und dem Zeitpunkt, bei der eine Gerade mit der zuvor bestimmten maximalen Steigung durch den Wert des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses zum Ende der Auswertung den Wert des minimalen/ maximalen gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses während der Auswertung schneidet. Ein Zeitkonstantenfehlerwird durch eine betragsmäßig zu kleine maximale Steigung erkannt.Another method - here called the slope method - also uses sudden adjustments of the air-fuel ratio and determines the maximum slope of the measured air-fuel ratio within a certain period of time after the jump. The time period for evaluation is determined by an applicable stroke by which the measured air-fuel ratio can change after the jump. This period of time is interpreted as dead time, corrected by the difference between the time at the end of the evaluation and the time at which a straight line with the previously determined maximum slope through the value of the measured air-fuel ratio at the end of the evaluation reaches the value of the minimum/maximum measured air-fuel ratio during the evaluation. A time constant error is recognized by a maximum slope that is too small in magnitude.

Weiterhin ist in der nachveröffentlichten DE 10 2011 085 115 A1 ein Verfahren beschrieben, aus der maximalen Steigung der Sprungantwort explizit eine Zeitkonstante zu berechnen, welche zur Adaption des Reglers sowie als Diagnoseergebnis verwendet werden kann. Bei dieser Erfindung wird vorgeschlagen, zur Dynamikerkennung bei Abgassonden eine schrittweise Adaption der Lambdareglerparameter durch Vergleich der betragsmäßig maximalen Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses mit einer erwarteten betragsmäßig maximalen Steigung vorzunehmen. Weiterhin wird vorgeschlagen, aus der betragsmäßig maximalen Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses eine Zeitkonstante zu berechnen, die zur Diagnose als auch zur Regeladaption verwendet wird. Die Berechnung der Zeitkonstanten weist jedoch einen systematischen Fehler auf, da bei der Herleitung des Verfahrens von einem offenen Regelkreis ausgegangen wird, während der Anwendung des Verfahrens im Fahrzeug der Lambda-Regelkreis jedoch geschlossen ist. Der Regeleingriff im Fall einer verlangsamten Sonde führt dabei zu einer maximalen Steigung, die systematisch größer ist als nach der Herleitung zu erwarten ist. Damit wird die Zeitkonstante systematisch als zu klein identifiziert.Furthermore, in the subsequently published DE 10 2011 085 115 A1 describes a method to explicitly calculate a time constant from the maximum slope of the step response, which can be used to adapt the controller and as a diagnostic result. In this invention, it is proposed to carry out a step-by-step adaptation of the lambda controller parameters for dynamic detection in exhaust gas sensors by comparing the maximum slope in terms of magnitude of the measured air-fuel ratio with an expected maximum slope in terms of magnitude. Furthermore, it is proposed to calculate a time constant from the maximum slope of the measured air-fuel ratio, which is used for diagnosis and for control adaptation. However, the calculation of the time constants has a systematic error because an open control loop is assumed when deriving the method, but the lambda control loop is closed when the method is used in the vehicle. The control intervention in the case of a slowed down probe leads to a maximum slope that is systematically larger than expected based on the derivation. This means that the time constant is systematically identified as too small.

Dieselben Verfahren können analog auch mit invertierten Lambdasignalen durchgeführt werden.The same procedures can also be carried out analogously with inverted lambda signals.

Weitere Verfahren sind aus der DE 198 44 994 A1 und der JP 2004 - 68 602 A bekannt.Further procedures are from the DE 198 44 994 A1 and the JP 2004 - 68 602 A known.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Dynamik-Diagnose bereitzustellen, bei der systematische Abweichungen der identifizierten Zeitkonstanten vom realen Wert zumindest teilweise beseitigt werden können.The object of the invention is to provide an improved dynamic diagnosis in which systematic deviations of the identified time constants from the real value can be at least partially eliminated.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.It is a further object of the invention to provide a corresponding device for carrying out the method.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine maximale Steigung einer Sprungantwort eines geschlossenen Regelkreises für den Sensor auf eine sprunghafte Änderung der Eingangsgröße für alle sinnvollen Kombinationen von Regler- und Streckenparametern des Modells anhand von Simulationen bestimmt und daraus eine Zeitkonstante für den Sensor abgeleitet und anhand der ermittelten Zeitkonstante die Dynamik-Diagnose des Sensors durchgeführt wird, wobei mit den Parametern der Simulation und der daraus resultierenden Steigung ein inverses Referenzmodell trainiert wird. Hierbei wird der Einfluss des geschlossenen Regelkreises bei der Herleitung der Berechnungsvorschrift, wie die Zeitkonstante aus der maximalen Steigung folgt, berücksichtigt. Damit wird die systematische Abweichung der identifizierten Zeitkonstante vom realen Wert nahezu beseitigt. Der Regler kann daher besser adaptiert werden, was sich vorteilhaft in einem exakteren Diagnoseergebnis der Dynamik des Sensors wieder spiegelt.The task relating to the method is solved by determining a maximum slope of a step response of a closed control loop for the sensor to a sudden change in the input variable for all sensible combinations of controller and system parameters of the model using simulations and deriving a time constant for the sensor from this and the dynamic diagnosis of the sensor is carried out on the basis of the determined time constant, an inverse reference model being trained with the parameters of the simulation and the resulting gradient. The influence of the closed control loop is taken into account when deriving the calculation rule as to how the time constant follows from the maximum gradient. This almost eliminates the systematic deviation of the identified time constant from the real value. The controller can therefore be better adapted to what is happening partly reflected in a more precise diagnostic result of the dynamics of the sensor.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass ein nichtlinearer statischer Approximator als inverses Referenzmodell eingesetzt wird, mittels dessen die Zusammenhänge zwischen allen Regler- und Streckenparametern eingangsseitig und der Zeitkonstante ausgangsseitig abgebildet werden, wobei ein Training des Referenzmodells und/ oder die Simulationen offline durchgeführt werden. Offline bedeutet in diesem Fall, dass die Berechnungen nicht während des Betriebs im Steuergerät erfolgen, d.h. online durchgeführt werden, sondern bereits in der Applikationsphase am PC. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Regler nur wenige Parameter besitzt, beispielsweise wenn die Regelparameter größtenteils mit den Streckenparametern übereinstimmen, da dann die Eingangsdimension des inversen Referenzmodells relativ klein ist. In diesem Fall ergibt sich ein geringer Rechenaufwand sowie eine Steigerung der Approximationsgüte des Modells. Der Vergleich der Sprungantworten findet dabei im allgemeinen nicht direkt statt. Das modellierte Signal wird nur offline berechnet und dann zum Training des inversen Referenzmodells verwendet. Ein Vergleich findet nur implizit während der Berechnung der Zeitkonstanten über das Referenzmodell statt.In a preferred method variant, it is provided that a nonlinear static approximator is used as an inverse reference model, by means of which the relationships between all controller and system parameters on the input side and the time constant on the output side are mapped, with training of the reference model and/or the simulations being carried out offline. In this case, offline means that the calculations do not take place during operation in the control unit, i.e. are carried out online, but rather in the application phase on the PC. A further advantage arises if the controller has only a few parameters, for example if the control parameters largely correspond to the system parameters, since the input dimension of the inverse reference model is then relatively small. In this case, there is a low computational effort and an increase in the approximation quality of the model. The step responses are generally not compared directly. The modeled signal is only calculated offline and then used to train the inverse reference model. A comparison only takes place implicitly during the calculation of the time constants via the reference model.

Dabei kann in einer vorteilhaften Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass das inverse Referenzmodell in Form einer Kennfeldstruktur, einer Polynomen-Berechnungsstruktur oder als neuronales Netz in einer Berechnungseinheit implementiert wird, welche Bestandteil einer Diagnoseeinheit ist. Letztendlich kann hier jeder nichtlinearer, statische und mit Messdaten trainierbare Approximator verwendet werden, wobei die genannten nur als Beispiele zu verstehen sind. Die Verfahren sind dabei aus der Literatur allgemein bekannt. Nichtlineare statische Approximatoren sind z.B. in dem Buch „Nonlinear System Identification“ von Oliver Nelles, Springer Verlag, 2000 angegeben.In an advantageous method variant, it can be provided that the inverse reference model is implemented in the form of a map structure, a polynomial calculation structure or as a neural network in a calculation unit, which is part of a diagnostic unit. Ultimately, any nonlinear, static approximator that can be trained with measurement data can be used here, although the ones mentioned are only to be understood as examples. The procedures are generally known from the literature. Nonlinear static approximators are given, for example, in the book “Nonlinear System Identification” by Oliver Nelles, Springer Verlag, 2000.

Das Verfahren mit seinen zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten lässt sich bevorzugt für eine Dynamik-Diagnose von Sensoren anwenden, die als Abgassonden im Abgaskanal der Brennkraftmaschine als Teil eines Abgasüberwachungs- und Abgasminderungssystems oder als Gaskonzentrationssensoren in einer Zuluftführung der Brennkraftmaschine ausgebildet sind, wobei die Abgassonden in Form von Breitband-Lambdasonden oder NOx-Sensoren ausgebildet sein können, mit denen ein Sauerstoffgehalt in einem Gasgemisch bestimmt werden kann. Für eine als Breitband-Lambdasonde oder stetige Lambdasonde ausgeführte Abgassonde wird zur Diagnose ein Lambda-Istwert mit einem modellierten Lambda-Modellwert entsprechend den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten verglichen. Für einen Stickoxid-Sensor wird als Istwert das Ausgangssignal des Stickoxid-Sensors ausgewertet, wobei der Modellwert aus einem modellierten NOx-Wert bestimmt wird. Diese Diagnose lässt sich daher besonders vorteilhaft bei Otto-Motoren oder bei Mager-Motoren anwenden, deren Abgasreinigungsanlage einen Katalysator und/ oder Einrichtungen zur Stickoxid-Reduktion aufweisen.The method with its previously described method variants can preferably be used for a dynamic diagnosis of sensors which are designed as exhaust gas probes in the exhaust gas duct of the internal combustion engine as part of an exhaust gas monitoring and exhaust gas reduction system or as gas concentration sensors in a supply air duct of the internal combustion engine, the exhaust gas probes being in the form of Broadband lambda sensors or NO x sensors can be designed, with which an oxygen content in a gas mixture can be determined. For an exhaust gas probe designed as a broadband lambda probe or continuous lambda probe, an actual lambda value is compared with a modeled lambda model value according to the method variants described above for diagnosis. For a nitrogen oxide sensor, the output signal of the nitrogen oxide sensor is evaluated as the actual value, with the model value being determined from a modeled NO x value. This diagnosis can therefore be used particularly advantageously in gasoline engines or lean-burn engines whose exhaust gas purification system has a catalytic converter and/or devices for nitrogen oxide reduction.

In den zuvor genannten Fällen ist die Eingangsgröße ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemisches. Anhand einer Variation des Luft-Kraftstoffgemisches kann mit dem zuvor beschriebenen Verfahren insbesondere die Dynamik-Diagnose von Abgassonden durchgeführt werden.In the aforementioned cases, the input variable is an air-fuel ratio of an air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine. Based on a variation of the air-fuel mixture, the previously described method can be used, in particular, to carry out the dynamics diagnosis of exhaust gas sensors.

Das Diagnoseverfahren, wie es zuvor beschrieben wurde, lässt sich auch vorteilhaft bei Prozessen mit mindestens einem Sensor anwenden, bei denen der Prozess einen beliebigen geeigneten Regler und Regelstrecke umfasst, wobei nur ein Streckenparameter unbekannt ist. Insbesondere bei komplexen Strukturen des Reglers wird die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises derart kompliziert, dass eine Rücktransformation in den Zeitbereich praktisch nicht mehr möglich ist. Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren unter Ausnutzung von Simulationen kann in diesen Fällen eine hinreichend genaue Approximation des unbekannten Streckenparameters gefunden werden.The diagnostic method, as described above, can also be used advantageously in processes with at least one sensor, in which the process includes any suitable controller and controlled system, with only one system parameter being unknown. Particularly with complex structures of the controller, the transfer function of the closed control loop becomes so complicated that a back transformation into the time domain is practically no longer possible. In these cases, a sufficiently accurate approximation of the unknown route parameter can be found using the previously described method using simulations.

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Diagnoseeinheit vorgesehen ist, die eine Berechnungseinheit in Form eines nichtlinearen statischen Approximators als inverses Referenzmodell zur Durchführung der Dynamik-Diagnose, wie zuvor beschrieben, aufweist. Dieser sind eingangsseitig Regler- und Streckenparameter sowie eine gemessene maximale Steigung der Sprungantwort eines geschlossenen Regelkreises für den Sensor auf eine sprunghafte Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses aufgeschaltet. Ausgangsseitig steht als Ergebnis einer offline durchgeführten Simulation eine Zeitkonstante für den Sensor zur Verfügung, welche zu der Dynamik-Diagnose des Sensors verwendbar ist. Die Funktionalität der Diagnoseeinheit kann dabei zumindest teilweise Software-basiert ausgeführt sein, wobei diese als separate Einheit oder als Teil einer übergeordneten Motorsteuerung vorgesehen sein kann.The object relating to the device is achieved in that a diagnostic unit is provided for carrying out the method according to the invention, which has a calculation unit in the form of a non-linear static approximator as an inverse reference model for carrying out the dynamic diagnosis, as described above. On the input side, controller and route parameters as well as a measured maximum slope of the step response of a closed control loop for the sensor to a sudden change in the air-fuel ratio are connected to this. On the output side, as a result of a simulation carried out offline, a time constant is available for the sensor, which can be used for the dynamics diagnosis of the sensor. The functionality of the diagnostic unit can be at least partially software-based, which can be provided as a separate unit or as part of a higher-level engine control system.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann und
  • 2 eine Berechnungseinheit zur Durchführung einer Dynamikdiagnose.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the figures. Show it:
  • 1 a schematic representation of the technical environment in which the method according to the invention can be used and
  • 2 a calculation unit for carrying out a dynamics diagnosis.

1 zeigt schematisch an einem Beispiel eines Otto-Motors das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose einer Abgassonde 15 eingesetzt werden kann. Einer Brennkraftmaschine 10 wird Luft über eine Luftzuführung 11 zugeführt und deren Masse mit einem Luftmassenmesser 12 bestimmt. Der Luftmassenmesser 12 kann als Heißfilm-Luftmassenmesser ausgeführt sein. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgaskanal 18 abgeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine 10 eine Abgasreinigungsanlage 16 vorgesehen ist. Die Abgasreinigungsanlage 16 umfasst üblicherweise mindestens einen Katalysator. 1 shows schematically, using an example of a gasoline engine, the technical environment in which the method according to the invention for diagnosing an exhaust gas probe 15 can be used. Air is supplied to an internal combustion engine 10 via an air supply 11 and its mass is determined with an air mass meter 12. The air mass meter 12 can be designed as a hot film air mass meter. The exhaust gas from the internal combustion engine 10 is discharged via an exhaust gas duct 18, with an exhaust gas purification system 16 being provided behind the internal combustion engine 10 in the direction of flow of the exhaust gas. The exhaust gas purification system 16 usually includes at least one catalytic converter.

Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 10 ist eine Motorsteuerung 14 vorgesehen, die zum einen der Brennkraftmaschine 10 über eine Kraftstoffdosierung 13 Kraftstoff zuführt und der zum anderen die Signale des Luftmassenmessers 12 und der in dem Abgaskanal 18 angeordneten Abgassonde 15 sowie einer in der Abgaskanal 18 angeordneten Abgassonde 17 zugeführt werden. Die Abgassonde 15 bestimmt im gezeigten Beispiel einen Lambda-Istwert eines der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs. Sie kann als Breitband-Lambdasonde oder stetige Lambda-Sonde ausgeführt sein. Die Abgassonde 17 bestimmt die Abgaszusammensetzung nach der Abgasreinigungsanlage 16. Die Abgassonde 17 kann als Sprungsonde oder Binärsonde ausgebildet sein.To control the internal combustion engine 10, an engine control 14 is provided, which, on the one hand, supplies fuel to the internal combustion engine 10 via a fuel metering device 13 and, on the other hand, the signals from the air mass meter 12 and the exhaust gas probe 15 arranged in the exhaust gas duct 18 and an exhaust gas probe 17 arranged in the exhaust gas duct 18 be supplied. In the example shown, the exhaust gas probe 15 determines an actual lambda value of a fuel-air mixture supplied to the internal combustion engine 10. It can be designed as a broadband lambda probe or a continuous lambda probe. The exhaust gas probe 17 determines the exhaust gas composition after the exhaust gas purification system 16. The exhaust gas probe 17 can be designed as a jump probe or binary probe.

Für die Dynamik-Diagnose der Abgassonde 15 wird das Luft-Kraftstoffverhältnis (LKV) im Brennraum sprungartig verstellt und innerhalb einer gewissen Zeitspanne nach dem Sprung die betragsmäßig maximale Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses bestimmt.For the dynamic diagnosis of the exhaust gas probe 15, the air-fuel ratio (LKV) in the combustion chamber is adjusted suddenly and the maximum slope of the measured air-fuel ratio is determined within a certain period of time after the jump.

Zur Modellierung des Luft-Kraftstoffverhältnisses von der Einspritzung bis zur Sonde wird im fehlerfreien Fall ein Filter 1. Ordnung mit einer Zeitkonstanten T und einer Verstärkung K sowie einem Totzeitmodell mit der Totzeit Tt verwendet. Der Filter 1. Ordnung lässt sich im Laplace-Raum demnach wie folgt beschreiben: G ( s ) = K exp ( T t  s ) / ( T s + 1 )

Figure DE102012200032B4_0001
To model the air-fuel ratio from the injection to the probe, a first-order filter with a time constant T and a gain K as well as a dead time model with the dead time Tt is used in the error-free case. The first order filter can therefore be described in Laplace space as follows: G ( s ) = K exp ( T t s ) / ( Ts + 1 )
Figure DE102012200032B4_0001

Im Fehlerfall wirkt eine dynamisch langsame Sonde jedoch wie ein zusätzlicher Filter erster Ordnung, so dass sich das Gesamtsystem durch eine Totzeit Tt und einen Filter zweiter Ordnung mit zwei Zeitkonstanten T und Ts für die Sonde modellieren lässt: G ( s ) = K exp ( T t  s ) / ( ( T s + 1 ) ( T s  s + 1 ) )

Figure DE102012200032B4_0002
However, in the event of a fault, a dynamically slow probe acts like an additional first-order filter, so that the entire system can be modeled by a dead time Tt and a second-order filter with two time constants T and Ts for the probe: G ( s ) = K exp ( T t s ) / ( ( Ts + 1 ) ( T s s + 1 ) )
Figure DE102012200032B4_0002

Basierend auf dieser Übertragungsfunktion der Regelstrecke sowie der Übertragungsfunktion des Reglers lässt sich die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises berechnen. Theoretisch lässt sich aus der Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises die Sprungantwort sowie dessen maximale Steigung bestimmen, indem man zunächst eine Rücktransformation vom Laplace- in den Zeitbereich durchführt.Based on this transfer function of the controlled system and the transfer function of the controller, the transfer function of the closed control loop can be calculated. Theoretically, the step response and its maximum slope can be determined from the transfer function of the closed control loop by first carrying out a back transformation from the Laplacian to the time domain.

Je nach Struktur des Reglers wird die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises jedoch so komplex, dass eine Rücktransformation in den Zeitbereich praktisch nicht mehr möglich ist. Stattdessen wird, wie dies 2 schematisch zeigt, die maximale Steigung der Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises für alle sinnvollen Kombinationen von Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 anhand von Simulationen bestimmt. Mit den Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 sowie mit einer daraus simulierten maximalen Steigung 23 wird dann ein nichtlinearer statischer Approximator als inverses Referenzmodell trainiert, wobei die simulierte maximale Steigung 23 sowie alle Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 außer der zu identifizierenden Zeitkonstante 24 der Sonde (Ts) als Eingang des Referenzmodells verwendet werden. In 2 ist dieser nichtlineare statische Approximator als Berechnungseinheit 20 dargestellt, wobei dieser als Kennfeldstruktur, Polynomen-Berechnung oder als neuronales Netz ausgelegt sein kann. Ausgang des Referenzmodells ist die zu identifizierende Zeitkonstante 24 für die Sonde (TS).However, depending on the structure of the controller, the transfer function of the closed control loop becomes so complex that a back transformation into the time domain is practically no longer possible. Instead, like this 2 shows schematically, the maximum slope of the step response of the closed control loop for all sensible combinations of controller and system parameters 22.1, 22.2 or 21.1, 21.2 is determined based on simulations. A non-linear static approximator is then trained as an inverse reference model using the controller and system parameters 22.1, 22.2 or 21.1, 21.2 and a maximum gradient 23 simulated therefrom, with the simulated maximum gradient 23 as well as all controller and system parameters 22.1, 22.2 or 21.1, 21.2 in addition to the time constant 24 of the probe (Ts) to be identified can be used as the input of the reference model. In 2 This nonlinear static approximator is shown as a calculation unit 20, which can be designed as a map structure, polynomial calculation or as a neural network. The output of the reference model is the time constant 24 to be identified for the probe ( TS ).

Dieses inverse Referenzmodell als Teil einer Diagnose-Einheit kann in der Motorsteuerung 14 implementiert sein und berechnet aus den bekannten Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 sowie der gemessenen maximalen Steigung 23 der Sprungantwort die Zeitkonstante 24 für die Sonde (TS). Bis auf die Auswertung des inversen Referenzmodells im Steuergerät können alle Arbeitsschritte und Berechnungen (Simulation, Training) offline durchgeführt werden. Streckenparameter sind z.B. eine Zeitkonstante und eine Totzeit. Im Falle eines modellbasierten Reglers können diese auch als Reglerparameter dienen sowie zusätzlich ein Parameter zur Festlegung der Reglergeschwindigkeit.This inverse reference model as part of a diagnostic unit can be implemented in the engine control 14 and calculates the time constant 24 for the probe (T S ). Except for the evaluation of the inverse reference model in the control unit, all work steps and calculations (simulation, training) can be carried out offline. Route parameters are, for example, a time constant and a dead time. In the case of a model-based controller, these can also serve as controller parameters as well as an additional parameter for determining the controller speed.

Claims (7)

Verfahren zur Dynamik-Diagnose von Sensoren einer Brennkraftmaschine (10), wobei die Sensoren geometrieabhängig und bedingt durch Alterung oder Verschmutzung ein Tiefpassverhalten aufweisen, wobei bei einer Änderung einer Eingangsgröße auf der Basis eines modellierten und eines gemessenen Signals eine Dynamik-Diagnose durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals des Sensors und das modellierte Signal ein Modellwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Steigung (23) einer Sprungantwort eines geschlossenen Regelkreises für den Sensor auf eine sprunghafte Änderung der Eingangsgröße für alle sinnvollen Kombinationen von Regler- und Streckenparametern (22.1, 22.2, 21.1 und 21.2) des Modells anhand von Simulationen bestimmt und daraus eine Zeitkonstante (24) für den Sensor abgeleitet und anhand der ermittelten Zeitkonstante (24) die Dynamik-Diagnose des Sensors durchgeführt wird, wobei mit den Parametern der Simulation und der daraus resultierenden Steigung ein inverses Referenzmodell trainiert wird.Method for the dynamic diagnosis of sensors of an internal combustion engine (10), the sensors having a low-pass behavior depending on the geometry and due to aging or contamination have, wherein when an input variable changes on the basis of a modeled and a measured signal, a dynamic diagnosis is carried out and wherein the measured signal is an actual value of an output signal of the sensor and the modeled signal is a model value, characterized in that a maximum slope ( 23) a step response of a closed control loop for the sensor to a sudden change in the input variable for all sensible combinations of controller and system parameters (22.1, 22.2, 21.1 and 21.2) of the model is determined based on simulations and from this a time constant (24) for the sensor derived and the dynamic diagnosis of the sensor is carried out based on the determined time constant (24), an inverse reference model being trained with the parameters of the simulation and the resulting slope. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtlinearer statischer Approximator als inverses Referenzmodell eingesetzt wird, mittels dessen die Zusammenhänge zwischen allen Regler- und Streckenparametern (22.1, 22.2, 21.1 und 21.2) eingangsseitig und der Zeitkonstante (24) ausgangsseitig abgebildet werden, wobei ein Training des Referenzmodells und/ oder die Simulationen offline durchgeführt werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a nonlinear static approximator is used as an inverse reference model, by means of which the relationships between all controller and system parameters (22.1, 22.2, 21.1 and 21.2) on the input side and the time constant (24) on the output side are mapped, with training of the reference model and/or the simulations are carried out offline. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das inverse Referenzmodell in Form einer Kennfeldstruktur, einer Polynomen-Berechnungsstruktur oder als neuronales Netz in einer Berechnungseinheit (20) implementiert wird, welche Bestandteil einer Diagnoseeinheit ist.Procedure according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the inverse reference model is implemented in the form of a map structure, a polynomial calculation structure or as a neural network in a calculation unit (20), which is part of a diagnostic unit. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren Abgassonden (15) im Abgaskanal (18) der Brennkraftmaschine (10) als Teil eines Abgasüberwachungs- und Abgasminderungssystems oder Gaskonzentrationssensoren in einer Zuluftführung (11) der Brennkraftmaschine (10) verwendet werden, wobei die Abgassonden (15) in Form von Breitband-Lambdasonden oder NOx-Sensoren ausgebildet sind, mit denen ein Sauerstoffgehalt in einem Gasgemisch bestimmt werden kann.Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that exhaust gas probes (15) in the exhaust duct (18) of the internal combustion engine (10) as part of an exhaust gas monitoring and exhaust gas reduction system or gas concentration sensors in a supply air duct (11) of the internal combustion engine (10) are used as sensors, the exhaust gas probes (15) are designed in the form of broadband lambda sensors or NO x sensors, with which an oxygen content in a gas mixture can be determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgröße ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemisches ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the input variable is an air-fuel ratio of an air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei Prozessen mit mindestens einem Sensor, bei denen der Prozess einen beliebigen geeigneten Regler und Regelstrecke umfasst, wobei nur ein Streckenparameter unbekannt ist.Application of the procedure according to one of the Claims 1 until 3 for processes with at least one sensor, in which the process includes any suitable controller and controlled system, with only one system parameter being unknown. Vorrichtung zur Dynamiküberwachung von Sensoren, wobei die Sensoren geometrieabhängig und bedingt durch Alterung oder Verschmutzung ein Tiefpassverhalten aufweisen, wobei bei einer Änderung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine (10) zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs auf der Basis eines modellierten und eines gemessenen Signals eine Dynamik-Diagnose in einer Diagnoseeinheit durchführbar ist und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals des Sensors und das modellierte Signal ein Modellwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit eine Berechnungseinheit (20) in Form eines nichtlinearen statischen Approximators als inverses Referenzmodell zur Durchführung der Dynamik-Diagnose gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 aufweist, der eingangsseitig Regler- und Streckenparameter (22.1, 22.2, 21.1 und 21.2) sowie eine gemessene maximale Steigung (23) der Sprungantwort eines geschlossenen Regelkreises für den Sensor auf eine sprunghafte Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses aufgeschaltet sind und an der ausgangsseitig als Ergebnis einer offline durchgeführten Simulation eine Zeitkonstante (24) für den Sensor zur Verfügung steht, welche zu der Dynamik-Diagnose des Sensors verwendbar ist.Device for dynamic monitoring of sensors, wherein the sensors have a low-pass behavior depending on the geometry and due to aging or contamination, with a change in an air-fuel ratio of an air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine (10) based on a modeled and a measured signal Dynamic diagnosis can be carried out in a diagnostic unit and wherein the measured signal is an actual value of an output signal of the sensor and the modeled signal is a model value, characterized in that the diagnostic unit has a calculation unit (20) in the form of a non-linear static approximator as an inverse reference model for carrying out the Dynamics diagnosis according to the Claims 1 until 5 has, the controller and route parameters (22.1, 22.2, 21.1 and 21.2) as well as a measured maximum slope (23) of the step response of a closed control loop for the sensor to a sudden change in the air-fuel ratio are connected on the input side and on the output side as a result of a During the simulation carried out offline, a time constant (24) is available for the sensor, which can be used for the dynamics diagnosis of the sensor.
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