DE102012207639A1

DE102012207639A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dynamik-Diagnose einer Abgassonde

Info

Publication number: DE102012207639A1
Application number: DE201210207639
Authority: DE
Inventors: Ralf Zimmerschied; Richard Holberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Dynamik-Diagnose einer in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassonde, 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-Kraftstoffgemischs durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals der Abgassonde und das modellierte Signal ein Modellwert ist, welcher aus dem der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durch Anwenden eines Abgasmodells abgeleitet wird, wobei ein erster Zeitpunkt und ein erster Startpunkt für das modellierte Signal und ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert für das gemessene Signal bestimmt werden und wobei über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem Modellwert ein zeitliches Integral für den Modellwert gebildet und zusätzlich über den gleichen Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem Istwert ein zeitliches Integral für den Istwert gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass für das zeitliche Integral des Modellwertes ein erstes Integral für eine Integrationsdauer T1 und ein zweites Integral für eine die Integrationsdauer T1 übersteigende Integrationsdauer T2 und für das zeitliche Integral des Istwertes ein erstes Integral für die Integrationsdauer T1 und ein zweites Integral für die Integrationsdauer T2 gebildet wird und auf diese vier Integralwerte eine mathematische Formel angewendet wird, deren Ergebnis repräsentativ für die Änderung der Dynamikparameter der Abgassonde gegenüber den Nominalwerten ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dynamik-Diagnose einer in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine als Teil eines Abgasüberwachungssystems angeordneten Abgassonde, 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-Kraftstoffgemischs durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals der Abgassonde und das modellierte Signal ein Modellwert ist, welcher aus dem der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durch Anwenden eines Abgasmodells abgeleitet wird. Dabei werden ein erster Zeitpunkt und ein erster Startpunkt für das modellierte Signal und ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert für das gemessene Signal bestimmt und über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem Modellwert ein zeitliches Integral für den Modellwert gebildet und zusätzlich über den gleichen Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem Istwert ein zeitliches Integral für den Istwert gebildet. Zur Quantifizierung der Dynamik der Abgassonde wird ein Quotient aus den beiden Integralwerten gebildet.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Reduktion der Emission in PKWs 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 eine der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Abgassonde gemessen. 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.
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. 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.
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. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein zweiter Extremwert im Verlauf des gemessenen Signals bestimmt wird und 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.
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. Dieselbe Berechnung können analog auch mit invertierten Lambdasignalen durchgeführt werden. Zur Modellierung des Luft-Kraftstoffverhältnisses im Steuergerät wird ein Filter 1. Ordnung mit einer Zeitkonstanten T und einer Verstärkung K = 1 sowie einem Totzeitmodell mit der Totzeit T_t verwendet. Der Filter 1. Ordnung lässt sich demnach wie folgt beschreiben: G_(s) = Kexp(–T_ts)/(Ts + 1) (1)
Das Verfahren erweist sich bei einigen Motoren jedoch teilweise als nicht ausreichend robust und führt zu streuenden Diagnoseergebnissen. Ein Grund dafür ist u. a., dass die reale Verstärkung der Lambda-Regelstrecke häufig vom theoretisch erwarteten und im Steuergerätemodell verwendeten Wert K = 1 abweicht. Dies hat einen starken Einfluss auf das Flächenverhältnis und wird deshalb fehlinterpretiert als Änderung der Sondendynamik, obwohl es sich um eine abweichende Streckenverstärkung handelt. Dieses Verhalten ist von allen Motoren in mehr oder weniger starkem Maß bekannt, wobei die Verstärkung von Betriebspunkt zu Betriebspunkt ohne Systematik variiert und deshalb nur schwer kompensiert werden kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Diagnose der Abgassonden mit erhöhter Robustheit bereit zu stellen, auch wenn die Verstärkung der Lambda-Regelstrecke vom theoretisch erwarteten Wert K = 1 abweicht.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für das zeitliche Integral des Modellwertes ein erstes Integral für eine Integrationsdauer T₁ und ein zweites Integral für eine die Integrationsdauer T₁ übersteigende Integrationsdauer T₂ und für das zeitliche Integral des Istwertes ein erstes Integral für die Integrationsdauer T₁ und ein zweites Integral für die Integrationsdauer T₂ gebildet und auf diese vier Integralwerte eine mathematische Formel angewendet wird, deren Ergebnis repräsentativ für die Änderung der Dynamikparameter der Abgassonde gegenüber den Nominalwerten aber unabhängig von nicht oder nicht genau bekannten Streckenparametern des Abgasmodells ist.
Die Integrale stellen unterschiedliche Flächen unter dem zeitlichen Kurvenverlauf des Istwertes und des Modellwertes dar. Die so gebildeten Integrale für den Modellwert sind abhängig von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches sowie von einer nominalen Zeitkonstante T_nom. Die so gebildeten Integrale für den Istwert sind abhängig von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches, einer realen Verstärkung K und einer realen Zeitkonstante T_real. Es gibt eine Reihe von im Wesentlichen äquivalenten Formeln, durch die man aus diesen Werten ein Verhältnis der realen Zeitkonstante T_real zur nominalen Zeitkonstante t_nom unter Eliminierung der realen Verstärkung K und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches berechnen kann.
Wie dies eine bevorzugte Verfahrensvariante vorsieht, kann ein Verhältnis zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral für den Modellwert und ein Verhältnis zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral für den Istwert bestimmt werden, wobei die Verhältnisbildung der Integrale für den Ist- und den Modellwert auch reziprok durchgeführt werden kann. Hierbei wird ausgenutzt, dass dieses Flächenverhältnis nicht von der Verstärkung K abhängt, sondern nur von einer Zeitkonstante und den beiden bekannten, vorgebbaren Integrationsdauern T₁ und T₂. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann die Robustheit einer Dynamik-Diagnose erhöht werden, indem mit dieser Methode zum Teil undefinierte Streckenverstärkungen im Regelkreis, welche von einem theoretischen Wert eins abweichen, eliminiert werden können. Damit wird eine On-Board-Diagnose der Abgassonden verbessert.
Wird als Startzeitpunkt der verschiedenen Integrationen, getrennt für den Modellwert und den Istwert, ein Zeitpunkt für ein Überschreiten eines applizierbaren Mindest-Hubs für den Modellwert und den Istwert verwendet, kann eine robuste Erkennung einer Signaländerung für den Istwert und den Modellwert nach einer induzierten Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gewährleistet werden.
Zur Bewertung der Dynamik der Abgassonde ist vorgesehen, dass aus den vier Integralen zwei Werte berechnet werden, die repräsentativ sind jeweils für die nominale Zeitkonstante T_nom bzw. für die reale Zeitkonstante T_real, aber unabhängig von der Verstärkung K. Dies können beispielsweise der Quotient des ersten und zweiten Integrals für den Modellwert und der Quotient des ersten und zweiten Integrals für den Istwert sein. Weiterhin ist vorgesehen, den für die nominale Zeitkonstante T_nom repräsentativen Wert mit dem für die reale Zeitkonstante T_real repräsentativen Wert zu vergleichen. Dies kann beispielsweise ein Quotient aus den jeweiligen Verhältnissen der ersten und zweiten Integrale für den Modellwert und den Istwert sein, wobei dieser Wert mit einem applizierbaren Schwellwert verglichen wird. Aus dem Vergleich wird ein Maß für die Trägheit der Abgassonde gewonnen. Dies hat den Vorteil, dass für die Bewertung der Dynamik die o. g., überwiegend undefinierten Streckenverstärkungen bereits kompensiert sind, und der Wert dieses neu gebildete Quotienten ein ungestörtes Maß für die Trägheit bzw. Alterung der Abgassonde ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht bei Unterschreitung eines Schwellwertes für einen Vergleichswert vor, dass eine fehlerhaft träge Abgassonde detektiert wird.
Eine alternative Verfahrensvariante sieht vor, dass zur Bewertung der Dynamik der Abgassonde ein reziproker Quotient aus den jeweiligen Verhältnissen der ersten und zweiten Integrale für den Modellwert und den Istwert bestimmt und dieser Wert mit einem für diese Berechnung applizierbaren Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten dieses Schwellwertes eine fehlerhaft träge oder langsame Abgassonde detektiert wird.
Hinsichtlich der On-Board-Diagnose wird eine fehlerhaft träge oder langsame Abgassonde dem Betreiber der Brennkraftmaschine signalisiert und/oder in einem Fehlerspeicher registriert. Dies kann innerhalb einer separaten Speichereinheit oder, was besonders vorteilhaft ist, im Fehlerspeicher einer übergeordneten Motorsteuerung sein.
Bei den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses sprunghaft durchgeführt wird, wodurch eine definierte Sprungantwort für den Istwert und den Modellwert auswertbar ist. Prinzipiell sind auch rampenartige Verstellungen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses denkbar. Bei dem Verfahren kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von fett zu mager oder umgekehrt vorgegeben wird.
Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass der Modellwert für die Abgassonde mittels einer Totzeit T_t und einem Filter mit einer Zeitkonstante T gemäß der eingangs erwähnten Gleichung (1) für einen Filter erster Ordnung modelliert wird.
Wird aus dem Verhältnis des ersten Integrals für die Integrationsdauer T₁ und des zweiten Integrals für die Integrationsdauer T₂ für den Istwert eine für die jeweilige Integrationsdauer T₁, T₂ inverse Kennlinie bestimmt und im Steuergerät bzw. in der Diagnoseeinheit gespeichert, wie dies eine vorteilhafte Verfahrensvariante vorsieht, kann mit dem gemessenen Flächenverhältnis unter der Annahme eines offenen Regelkreises eine Bestimmung der Zeitkonstanten T ermöglicht werden, da sich der Zusammenhang zwischen Zeitkonstante T und Integrationsdauer T₁, T₂ sowie dem Flächenverhältnis analytisch beschreiben lässt. Da dieser Zusammenhang jedoch sehr komplex und stark nicht linear ist, wird dieser offline berechnet. Somit lässt sich die Zeitkonstante T mit dem gemessenen Flächenverhältnis und den bekannten Integrationsdauern T₁, T₂ durch einen Kennlinienzugriff bestimmen.
Das Verfahren mit seinen zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten lässt sich bevorzugt für eine Diagnose einer Breitband-Lambdasonde oder für die Diagnose eines Stickoxid-Sensors anwenden. 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 NO_x-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.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Diagnoseeinheit vorgesehen ist, die Berechnungseinheiten zur Integral- und Verhältnisbildung sowie Speichereinheiten, wie Kennlinien- oder Kennfeldspeicher, und Komparatoren zum Vergleich der berechneten Werte mit applizierbaren Schwellwerten aufweist, die zur Durchführung des Diagnoseverfahrens gemäß den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten dienen. 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.
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 ein Zeitablauf-Diagramm für eine Abgassonde während einer Diagnose.
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.
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 Abgasableitung 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.
Für die Dynamik-Diagnose der Abgassonde 15 wird das Luft-Kraftstoffverhältnis im Brennraum der Brennkraftmaschine 10 sprungartig verstellt, wobei das an der Abgassonde 15 gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis darauf zeitverzögert und gefiltert reagiert. Diese Zeitverzögerung und Filterung wird im Steuergerät bzw. in einer Diagnoseeinheit, welche Bestandteil der Motorsteuerung 14 sein kann, durch eine Totzeit T_t und einen Filter mit einer bestimmten Zeitkonstante T modelliert.
In 2 ist beispielhaft für eine Dynamik-Diagnose einer als stetige Lambdasonde ausgeführten Abgassonde 15 ein Zeitablauf-Diagramm 20 dargestellt, wobei als y-Achse ein Signalwert 21 für das Luft-Kraftstoffverhältnis (Lambdawert) und als x-Achse die Zeit 22 aufgetragen ist. Die 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissprunges im Brennraum 23 (Lambdasprung) sowie eines Modellwertes 24 und eines Istwertes 25 für einen mit der Abgassonde 15 modellhaft bestimmten bzw. gemessenen Lambdawert.
Zu erkennen ist, dass der Modellwert 24 nach dem erfolgten Luft-Kraftstoff-Verhältnissprung im Brennraum 23 – hier von λ = 0,9 auf λ = 1,06 – mit einer gewissen Verzögerung reagiert und sich mit einer bestimmten Zeitkonstante dem eingestellten Endwert für den Lambdawert annähert, wobei die Dauer bis zum Erreichen des Endwertes im gezeigten Beispiel etwa eine Sekunde beträgt. Der Istwert 25 der Abgassonde 15 hingegen weist zum einen einen gewissen Offset auf (λ = 0,88 statt λ = 0,9), und reagiert gegenüber dem Modellwert 24 deutlich träger, was auf eine Alterung der Abgassonde 15 zurückzuführen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Dynamik-Diagnose vor, dass für das gemessene und für das modellierte Luft-Kraftstoffverhältnis jeweils Flächen unter den zeitlichen Signalen aufintegriert werden, wobei der Startpunkt der Integration getrennt für beide Signale bestimmt wird, wenn ein Mindest-Hub des jeweiligen Signals überschritten wird, so dass eine robuste Erkennung eines Lambdasprungs gewährleistet ist.
Ausgehend von diesen Startpunkten werden nun für eine erste Integrationsdauer T₁ 30 und eine zweite Integrationsdauer T₂ 31 Flächen unter den jeweiligen Signalen integriert, wobei für den Modellwert 24 eine Fläche A_1M 26 für die Integrationsdauer T₁ 30 und eine Fläche A_2M 27 für die Integrationsdauer T₂ 31 und für den Istwert 25 eine Fläche A_1I 28 für die Integrationsdauer T₁ 30 und eine Fläche A_2I 29 für die Integrationsdauer T₂ 31 bestimmt wird.
Um den Einfluss einer Streckenverstärkung zu eliminieren, wird nun jeweils ein Flächenverhältnis FV_M = A_1M/A_2M bzw. FV_I = A_1I/A_2I gebildet, wobei das jeweilige Flächenverhältnis auch reziprok definiert sein kann. Das jeweilige Flächenverhältnis ist nur von der zu bestimmenden Zeitkonstante T sowie von den bekannten Integrationsdauern T₁ und T₂ 30, 31 abhängig, aber nicht mehr von der variablen und unbestimmten Verstärkung. Als Diagnoseergebnis wird dann ein Verhältnis V = FV_I/FV_M aus dem Flächenverhältnis FV_I für den Istwert 25 und dem Flächenverhältnis FV_M für den Modellwert 24 gebildet. Unterschreitet dieses Verhältnis V eine applizierbare Schwelle, wird die Dynamik der Abgassonde 15 als langsam bzw. träge eingestuft.
Weiterhin ist mit dem gemessenen Flächenverhältnis FV_I unter der Annahme eines offenen Regelkreises eine Bestimmung der Zeitkonstanten T möglich, da sich der Zusammenhang zwischen Zeitkonstante und Integrationsdauer T₁, T₂ 30, 31 sowie dem Flächenverhältnis analytisch beschreiben lässt. Da dieser Zusammenhang jedoch sehr komplex und stark nichtlinear ist, wird dieser offline berechnet und in Form einer inversen Kennlinie im Steuergerät bzw. in der Diagnoseeinheit abgelegt. Somit lässt sich die Zeitkonstante mit dem gemessenen Flächenverhältnis und den bekannten Integrationsdauern T₁, T₂ 30, 31 durch einen Kennlinienzugriff bestimmen.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die zuvor beschriebene Diagnosefunktion als Software in der Motorsteuerung 14 implementiert sein, wobei diese Vorrichtungen, wie Integrationseinheiten, Komparatoren zur Erkennung des Mindest-Hubs sowie zum Vergleich des Verhältnisses V mit dem Schwellwert sowie Speichereinheiten zur Speicherung der berechneten Werte sowie der Kennlinien bzw. Kennfelder aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042549 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Dynamik-Diagnose einer in einem Abgaskanal (18) einer Brennkraftmaschine (10) als Teil eines Abgasüberwachungssystems angeordneten Abgassonde (15), wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine (10) zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert (25) eines Ausgangssignals der Abgassonde (15) und das modellierte Signal ein Modellwert (24) ist, welcher aus dem der Brennkraftmaschine (10) zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durch Anwenden eines Abgasmodells abgeleitet wird, wobei ein erster Zeitpunkt und ein erster Startpunkt für das modellierte Signal und ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert für das gemessene Signal bestimmt werden und wobei über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem Modellwert (24) ein zeitliches Integral für den Modellwert (24) gebildet und zusätzlich über den gleichen Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem Istwert (25) ein zeitliches Integral für den Istwert (25) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass für das zeitliche Integral des Modellwertes (24) ein erstes Integral für eine Integrationsdauer T₁ (30) und ein zweites Integral für eine die Integrationsdauer T₁ (30) übersteigende Integrationsdauer T₂ (31) und für das zeitliche Integral des Istwertes (25) ein erstes Integral für die Integrationsdauer T₁ (30) und ein zweites Integral für die Integrationsdauer T₂ (31) gebildet wird und auf diese vier Integralwerte eine mathematische Formel angewendet wird, deren Ergebnis repräsentativ für die Änderung der Dynamikparameter der Abgassonde (15) gegenüber den Nominalwerten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral für den Modellwert (24) und ein Verhältnis zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral für den Istwert (25) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Startzeitpunkt der verschiedenen Integrationen, getrennt für den Modellwert (24) und den Istwert (25), ein Zeitpunkt für ein Überschreiten eines applizierbaren Mindest-Hubs für den Modellwert (24) und den Istwert (25) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung der Dynamik der Abgassonde (15) ein Quotient aus den jeweiligen Verhältnissen der ersten und zweiten Integrale für den Modellwert (24) und den Istwert (25) bestimmt und dieser Wert mit einem applizierbaren Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines Schwellwertes für einen Vergleichswert eine fehlerhaft träge Abgassonde detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung der Dynamik der Abgassonde (15) ein reziproker Quotient aus den jeweiligen Verhältnissen der ersten und zweiten Integrale für den Modellwert (24) und den Istwert (25) bestimmt und dieser Wert mit einem für diese Berechnung applizierbaren Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten dieses Schwellwertes eine fehlerhaft träge oder langsame Abgassonde detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine fehlerhaft träge oder langsame Abgassonde dem Betreiber der Brennkraftmaschine (10) signalisiert und/oder in einem Fehlerspeicher registriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses sprunghaft durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellwert (24) mittels einer Totzeit T_t und einem Filter mit einer Zeitkonstante T modelliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verhältnis des ersten Integrals für die Integrationsdauer T₁ (30) und des zweiten Integrals für die Integrationsdauer T₂ (31) für den Istwert (25) eine für die jeweilige Integrationsdauer T₁, T₂ (30, 31) inverse Kennlinie bestimmt und gespeichert wird.
Anwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 zur Dynamik-Diagnose einer als Breitband-Lambdasonde oder als Stickoxid-Sensor ausgebildeten Abgassonde (15).
Vorrichtung zur Dynamik-Diagnose einer in einem Abgaskanal (18) einer Brennkraftmaschine (10) als Teil eines Abgasüberwachungssystems angeordneten Abgassonde (15), wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine (10) zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durchführbar ist und wobei das gemessene Signal ein Istwert (25) eines Ausgangssignals der Abgassonde (15) und das modellierte Signal ein Modellwert (24) ist, welcher aus dem der Brennkraftmaschine (10) zugeführten Luft-Kraftstoffgemischs durch Anwenden eines Abgasmodells ableitbar ist, wobei ein erster Zeitpunkt und ein erster Startpunkt für das modellierte Signal und ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert für das gemessene Signal bestimmbar sind und wobei über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem Modellwert (24) ein zeitliches Integral für den Modellwert (24) und wobei über diesen Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem Istwert (25) ein zeitliches Integral für den Istwert (25) bestimmbar ist und zur Quantifizierung der Dynamik der Abgassonde (15) in einer Diagnoseeinheit ein Quotient aus den beiden Integralwerten bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit Berechnungseinheiten zur Integral- und Verhältnisbildung sowie Speichereinheiten und Komparatoren zur Durchführung des Diagnoseverfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 aufweist.