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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Ventils einer Fluidzuleitung sowie ein hierzu eingerichtetes Computerprogramm.
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Stand der Technik
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In den Frischluft-Ansaugweg eines Verbrennungsmotors können verschiedene Fluide zugeleitet werden. Beispielsweise kann in einem Verbrennungsmotor das Kurbelgehäuse entlüftet und diese Entlüftung dem Frischluft-Ansaugweg des Motors (insbesondere in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors) zurückgeführt werden. Weiterhin sind auch Abgasrückführungsleitungen bekannt, über welche Verbrennungsgase dem Ansaugweg des Verbrennungsmotors wieder zugeführt werden.
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Solche Zuleitungen können durch Diagnosen überwacht werden. Beispielweise wird die Diagnose einer Abgasrückführung in der
DE 10 2008 041 804 A1 beschrieben. Die Idee dieses Verfahrens besteht darin, über ein Druckverhältnis innerhalb des Luftzuführungsabschnitts (also Druck vor Drosselklappe zu Druck nach Drosselklappe) oder zwischen dem Luftzuführungsabschnitt und dem Abgasabschnitt (also Saugrohrdruck zu Abgasrückführdruck) oder über eine Stellung eines Drosselventils des Saugrohrs festzustellen, ob eine Beeinträchtigung (insbesondere eine Versottung) in der Abgasrückführungsanordnung besteht. Hierzu werden die genannten Druckdifferenzwerte mit einem Referenzwert verglichen.
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Die
DE 10 2008 002 721 A1 offenbart die Diagnose eines Entlüftungssystems, bei welcher durch kurzzeitiges Unterbrechen der Entlüftungsleitung zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Luftsystem des Verbrennungsmotors und durch Überwachen des Lambdawertes des Abgases des Verbrennungsmotors ein Fehler des Entlüftungssystems erkannt werden kann.
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Die
DE 10 2009 002 746 A1 geht aus von einem Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Tankentlüftungssytems eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine mit saugrohrdruckbasierter Füllungserfassung. Das Tankentlüftungsventil wird hierbei definiert öffnend und / oder schließend angesteuert und aus dem sich dabei einstellenden Saugrohrdruck wird auf die Funktionsfähigkeit des Tankentlüftungsventil geschlossen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wurde erkannt, dass auch bei Abgasrückführung und Kurbelgehäuseentlüftungen entgegen der bisherigen Praxis eine einfache Diagnose des entsprechenden Ventils durch Bestimmung einer Druckänderung im Luftsystem eines Verbrennungsmotors ein Ansteuerung des Ventils einen Großteil der Fehler solcher Systeme zuverlässig und unaufwendig erkennen kann. Im Verfahren gemäß Anspruch 1 findet eine Diagnose eines Ventils einer Fluidzuleitung einer Abgasrückführungsleitung oder einer Kurbelgehäuseentlüftung zu einem Ansaugweg eines Luftsystems eines Verbrennungsmotors statt. Dabei wird bei einer Ansteuerung des Ventils ein erster Druck in dem Ansaugweg auf eine Änderung überwacht und ein Fehler des Ventils erkannt, wenn die Änderung des ersten Drucks bei der Ansteuerung des Ventils außerhalb eines bestimmten Referenzbereichs liegt. Der Referenzbereich ist dabei ein Druckwertebereich, innerhalb dessen die durch die Ventilansteuerung verursachte Druckänderung bei korrekt funktionierendem Ventil erwartet wird.
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Die Diagnose betrifft somit gesteuerte Ventile einer Fluidleitung, denen in Flussrichtung des Fluids ein Drucksensor folgt, um den Druck im Ansaugweg zu bestimmen, in welchen die Fluidleitung mündet. Über das Ventil wird ein Massenstrom des Fluids in den Ansaugweg des Luftsystems, insbesondere in ein Saugrohr, geleitet. Stationär entspricht der abfließende Massenstrom dem des zufließenden Massenstroms. Mit ansteigendem abfließendem Massenstrom aus dem Saugrohr steigt bei ansonsten unveränderten Betriebsbedingungen der Druck im Saugrohr. Beim Öffnen des Ventils der Ventilzuleitung bewegt sich also der Saugrohrdruck nach oben. Entsprechend bewegt sich der Saugrohrdruck beim Schließen des Ventils nach unten. Dies kann durch Schwellen (bzw. durch diese Schwellen definierte Referenzbereiche) überprüft werden, z.B. durch eine Schwelle für das Delta des Drucks im Saugrohr vor der Änderung der Ventilposition und einige Zeit nach der Änderung der Ventilposition. Unterschiedliche Schwellen können die Änderung der Ventilposition qualitativ als auch quantitativ überprüfen. Damit können z.B. Fehler erkannt werden wie: Ventil öffnet gar nicht / klemmt, Ventil öffnet weniger als erwartet, Ventil ist versottet, Ventil öffnet stärker als erwartet, Ventil schließt gar nicht.
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Die Diagnose wird durch einen gemessenen Druck in Fließrichtung des Ventil ermöglicht. Wird das Ventil geöffnet oder geschlossen, hat dies eine Auswirkung auf dem Druck, diese kann durch einen gemessenen Druck, bzw. durch eine bestimmte Druckänderung überprüft werden. Bei der Kurbelgehäuseentlüftung ist ebenso wie bei der Abgasrückführung die Fließrichtung in den Ansaugweg bzw. in das Saugrohr. Im Saugrohr wird bisher schon häufig ein Saugrohrdrucksensor oder ein Differenzdrucksensor Verbaut. Damit sind keine zusätzlichen Komponenten erforderlich, um die beschriebene Diagnose zu ermöglichen.
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Die Trennschärfe der Diagnose ist abhängig vom Betriebspunkt, also von den weiteren Größen bzw. Bedingungen im Luftsystem. In erster Ordnung ist sie abhängig vom Verhältnis des Massenstroms, der über das Ventil fließt, zum abfließenden Massenstrom aus dem Saugrohr. Um die Trennschärfe weiter zu verbessern, können weitere Einflüsse auf den Saugrohrdruck, wie z.B. Drehzahl, Temperatur, Nockenwellenstellung, Position anderer Ventile, berücksichtigt werden. Dazu kann z.B. geprüft werden, dass diese Einflüsse während der Diagnose sich nur ein einem vorgegebenen Maß ändern, um ein verwendbares Diagnoseergebnis zu erhalten. Oder diese Einflüsse können kompensiert werden, in dem man z.B. die Änderung der Einflüsse in eine Druckänderung umrechnet und dies dann in bewerteten Druckdelta oder den zum Vergleich herangezogenen Referenzbereichen berücksichtigt. Hierbei kann z.B. auch die Druckdifferenz der Drücke vor und nach dem Ventil kompensiert werden. Das überwachte Druckdelta im Saugrohr ändert sich linear mit dem Druck vor dem Ventil und überlagert nichtlinear mit dem Druckverhältnis. Die lineare Änderung lässt sich gut kompensieren.
Die nichtlineare Änderung hat keinen Einfluss bis zu einem Druckverhältnis von ca. 0,54, danach wird der Einfluss immer stärker bis zu einem senkrechten Gradienten bei Druckverhältnis 1 (Strömungsgeschwindigkeit über Drossel nach Saint-Venant und Wantzel). Das kann mit einem Druckdelta als Einschaltbedingung berücksichtigt werden oder über das Druckverhältnis. Die Strömungsgeschwindigkeit lässt sich auch kompensieren und damit der Diagnosebereich ausdehnen.
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Der Referenzbereich kann also in einer Ausgestaltung auf Basis von Größen des Luftsystems berechnet werden. Hierzu können Algorithmen oder Kennfelder in einem Steuergerät hinterlegt sein, mit denen aus aktuell gemessenen oder ebenfalls berechneten Größen des Luftsystems eine erwartete Druckänderung abhängig von der Größe der Ansteuerung des Ventils berechnet wird und auf dieser Basis der zum Vergleich mit der bestimmten Druckänderung herangezogene Referenzbereich berechnet wird. Hierdurch wird ein besonders flexibles System geschaffen, welches eine Diagnose auch unter komplexen Bedingungen, z.B. bei Änderungen verschiedener Größen des Luftsystems, erlaubt.
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In eine solche Berechnung des Referenzbereichs können beispielsweise eingehen: eine Temperatur des Luftsystems, eine Position eines Stellers des Luftsystems, insbesondere einer Drosselklappe des Ansaugwegs, eine Nockenwellenstellung des Verbrennungsmotors, eine Drehzahl des Verbrennungsmotors, eine Position eines weiteren Ventils des Luftsystems. Diese Größen wurden als besonders wichtige Größen des Luftsystems erkannt, deren Änderungen die Berechnung bedeutend beeinflussen können.
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Als weitere wichtige Größe für eine solche Berechnung des Referenzbereichs kann eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck in dem Ansaugweg stromabwärts des Ventils und einem zweiten Druck in der Fluidzuleitung stromaufwärts des Ventils berücksichtigt werden. Voraussetzung hierbei ist eine Bestimmung des zweiten Drucks durch einen Drucksensor oder auf Basis eine Berechnung aus anderen zur Verfügung stehenden Größen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Als Alternative zur Berechnung des Referenzbereichs ist eine Diagnose auch möglich auf Basis eines Vergleichs mit einem vorbestimmten Referenzbereichs. Dieses Verfahren ist besonders einfach umzusetzen. Hierbei kann der Referenzbereich auch einer von mehreren vorbestimmten Referenzbereichen sein, so dass im Rahmen der vorgegebenen Referenzbereiche weiter eine flexible Fehlererkennung möglich ist.
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Sowohl im Fall des Vergleichs der Druckänderung mit einem vorbestimmten als auch beim Vergleich mit einem berechneten Referenzbereich ist es vorteilhaft, die Diagnose nur unter bestimmten Bedingungen an das Luftsystem durchzuführen bzw. nur unter bestimmten Bedingungen an das Luftsystem auf einen Fehler zu erkennen. Dies liegt daran, dass in bestimmten Zuständen des Luftsystems eine Fehlererkennung besonders schwierig bzw. fehlerbehaftet sein kann. Durch eine solche Randbedingung wird also die Güte der erkannten Fehler deutlich erhöht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Fehler nur erkannt wird, wenn das Luftsystem in einem stationären oder quasistationärem Zustand ist, also gerade keine oder keine großen Änderungen von Größen des Luftsystems, insbesondere des Drucks im Ansaugweg bzw. im Saugrohr, auftreten. In einem solchen Zustand ist eine besonders zuverlässige Diagnose möglich.
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Ein solcher stationärer oder quasistationärer Zustand kann erkannt werden, wenn eine Drehzahl des Verbrennungsmotor im Wesentlichen konstant ist, wenn eine Position eines Stellers im Luftsystem, insbesondere einer Drosselklappe im Ansaugweg, im Wesentlichen unverändert ist, wenn eine Position von einem weiteren Ventil im Luftsystem im Wesentlichen unverändert ist, oder wenn mehrere oder alle dieser Bedingungen zutreffen.
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Eine weitere, besonders vorteilhafte Verbesserung der Diagnosegüte kann erreicht werden, wenn ein Fehler nur erkannt wird, wenn vor oder bei der Ansteuerung des Ventils eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck in dem Ansaugweg und einem zweiten Druck in der Fluidzuleitung stromaufwärts des Ventils über einem Schwellwert liegt. Ist nämlich der Druck vor und nach dem Ventil gleich groß oder nur unwesentlich anders, kommt es zu keiner Druckänderung bei Ansteuerung des Ventils. Hierdurch würde durch die Diagnose auf Fehler erkannt, wenn nicht diese zusätzliche Bedingung vorgesehen wird.
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Alle Schritte des beschriebenen Verfahrens werden in bevorzugter Ausgestaltung durch ein Computerprogramm gesteuert, welches gespeichert ist auf einem elektronischen Speichermedium in einem elektronischen Steuergerät, insbesondere einem Motorsteuergerät, ab.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Verbrennungsmotors.
- 2 zeigt die Schritte eines Verfahrens zur Durchführung einer Ventildiagnose.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Zylinder eines Verbrennungsmotors werden über ein Luftsystem mit Luft versorgt. Die Luft wird über ein Einlassventil in den entsprechenden Zylinder eingelassen. In 1 sind als Teile eines solchen Luftsystems das Saugrohr 1 und die Drosselklappe 2 schematisch dargestellt. Über die Stellung der Drosselklappe 2 kann die über das Saugrohr 1 den Zylindern zugeführte Luftfüllung beeinflusst werden. Stromaufwärts der Drosselklappe (angedeutet durch Pfeil 3) befindet sich eine Luftzuführungsleitung. Stromabwärts der Drosselklappe (angedeutet durch Pfeil 4) befinden sich Einlassventil und Zylinder des Verbrennungsmotors. Stromabwärts der Drosselklappe 2 ist an dem Saugrohr 1 zudem ein Drucksensor 5 angeordnet, welcher den Druck im Saugrohr 5 misst. Außerdem mündet stromabwärts der Drosselklappe eine Fluidzuleitung 6 in das Saugrohr. Zur Steuerung der zugeleiteten Fluidmenge ist in der Fluidzuleitung 6 ein Ventil 7 angeordnet. Das zugeleitete Fluid stammt aus einer Fluidquelle stromaufwärts des Ventils 7 (angedeutet durch Pfeil 8).
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Beim Betrieb des Verbrennungsmotors entsteht in einem Kurbelgehäuse, z.B. durch Ansammeln von Verbrennungsgasen aus den Brennräumen und durch Bilden von Ölnebel, ein erhöhter Druck. Dieser kann zum einen dem Arbeitsbetrieb der Zylinder entgegenwirken und zum anderen auch zu einem Austritt von Kohlenwasserstoffen und Ölnebel in die Umgebung des Verbrennungsmotors führen. Um das Aufbauen des erhöhten Drucks im Kurbelgehäuse zu vermeiden, ist eine Kurbelgehäuseentlüftung vorgesehen, zu der eine Entlüftungsleitung gehört. In einer bevorzugten Ausgestaltung der 1 ist die Fluidzuleitung 6 eine solche Entlüftungsleitung einer Kurbelgehäuseentlüftung.
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In Verbrennungsmotoren mit einer Abgasrückführung (AGR) wird Verbrennungsabgas aus den Zylindern über einen Abgasabschnitt abgeführt. Zwischen diesem Abgasabschnitt und einem Saugrohr des Verbrennungsmotors ist eine AGR-Leitung vorgesehen. In einer alternativen Ausgestaltung von 1 handelt es sich bei der Fluidzuleitung 6 um eine solche AGR-Leitung. Das Ventil 7 ist dementsprechend ein AGR-Ventil, durch welches eine AGR-Rate eingestellt werden kann.
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2 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf einer Diagnose eines Ventils einer Fluidleitung, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist. In einem ersten Schritt 21 wird festgestellt, ob eine Ansteuerung des Ventils vorliegt. Liegt keine Ansteuerung vor, wird auf Schritt 22 verzweigt und die Diagnose nicht durchgeführt. Die Ansteuerung, welche in Schritt 21 festgestellt wird, kann eine extra zum Zwecke der Diagnose vorgesehene Ansteuerung sein aber auch eine im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehene Ansteuerung. Liegt eine Ansteuerung des Ventils vor, wird in Schritt 23 verzweigt. Die Stärke der Ansteuerung (also der angeforderten Ventilöffnung bzw. -schließung) kann ebenfalls im Verfahren berücksichtigt werden. So kann bei einer minimalen Ansteuerung auf eine Diagnose verzichtet werden. Auch kann eine erwartete Druckänderung von der Stärke der Ventilöffnung bzw. -schließung abhängen.
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In Schritt 23 wird festgestellt, ob die Bedingungen im Luftsystem geeignet sind, eine aussagekräftige bzw. zuverlässige Diagnose durchführen zu können. Hierzu kann beispielsweise überprüft werden, ob der Druck im Luftsystem, genauer im Ansaugweg bzw. Saugrohr, unmittelbar bzw. in einem festgelegten Zeitintervall vor der Ansteuerung im Wesentlichen konstant ist. Zudem kann auch überprüft werden, ob eine Drosselklappenposition in einem Zeitraum vor der Ansteuerung im Wesentlichen unverändert ist, ob eine Drehzahl im Wesentlichen konstant ist, ob andere Ventile im Luftsystem im Wesentlichen unveränderte Positionen aufweisen etc. Sind die vorgeschriebenen Bedingungen nicht erfüllt, wird auf Schritt 24 verzweigt und die Diagnose nicht durchgeführt. Sind die vorgeschriebenen Bedingungen erfüllt, wird auf Schritt 25 verzweigt.
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In Schritt 25 wird überprüft, ob eine Druckdifferenz zwischen dem Druck vor dem zu überprüfenden Ventil und dem Druck nach dem zu überprüfenden Ventil ausreichend groß ist, dass bei Öffnen des Ventils eine Druckänderung nach dem Ventil auftritt, die ausreichend für die vorgesehene Diagnose ist. Dieser Schritt entfällt, wenn keine Mittel zur Verfügung stehen, den Druck auf der Ansaugwegabgewandten Seite des Ventils zu bestimmen oder falls durch das Systemdesign eine ausreichende Druckdifferenz sichergestellt ist oder mit hoher Wahrscheinlichkeit vorhanden ist. Somit ist der Schritt 25 optional. Wird er durchgeführt und ist die Druckdifferenz nicht ausreichend, wird auf Schritt 26 verzweigt und die Diagnose nicht ausgeführt. Ist die Differenz ausreichend oder wird sie nicht überprüft, so wird auf Schritt 27 verzweigt.
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In Schritt 27 wird eine Druckänderung im Ansaugweg bestimmt. Hierzu kann zum Beispiel eine Steigung bzw. zeitliche Änderung bzw. Ableitung eines ermittelten Druckwertes berechnet werden. Vorzugsweise werden hierzu der durch einen Drucksensor im Ansaugrohr bestimmte Druckwerte zum Zeitpunkt unmittelbar vor der Ansteuerung des Ventils, während der Ansteuerung des Ventils und nach der Ansteuerung des Ventils herangezogen. Es kann auch die Druckdifferenz zwischen einem bestimmten Zeitpunkt vor der Ansteuerung und zu einem bestimmten Zeitpunkt nach der Ansteuerung gebildet werden. Dieser Wert wird verglichen mit einem Wertebereich, der bei der entsprechenden Ansteuerung unter den gegebenen Bedingungen des Luftsystems zu erwartet ist. Dieser Referenzbereich kann entweder aus einer Reihe vorgegebener Referenzbereiche gewählt werden oder wird aus Größen des Luftsystems berechnet. In eine solche Auswahl bzw. Berechnung können z.B. einer Stellerposition, z.B. eine Drosselklappenstellung, ein Temperaturwert des Luftsystems, die Drehzahl des Verbrennungsmotors, die Druckdifferenz vor und nach dem Ventil, die Stärke der Ansteuerung des Ventils, eine Nockenwellenposition etc. eingehen.
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Liegt die Druckänderung im Referenzbereich, ist also die Druckänderung innerhalb der erwarteten Schwellen, wird in Schritt 28 verzweigt und die Diagnose ohne Fehlerausgabe beendet. Liegt die Druckänderung außerhalb der vorgegebenen Druck-Schwellwerte (also außerhalb des Referenzbereichs), wird in Schritt 29 verzweigt. Die Diagnose erkennt auf einen Fehler. Dieser Fehler kann unmittelbar weitergeleitet werden oder weitergeleitet werden, wenn eine bestimmt Anzahl solcher Fehler erkannt wurde.
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Das beschriebene Verfahren kann stetig wiederholt werden, bis entweder eine Fehlermeldung, oder evtl. auch eine Gutmeldung vorliegt. Nach Absenden der Meldung kann die Diagnose pausieren oder direkt weiter fortgesetzt werden bzw. wieder von Anfang beginnen.
