DE102017111455A1 - Verfahren zur Prüfung einer durch ein Steuergerät gesteuerten Maschine - Google Patents

Verfahren zur Prüfung einer durch ein Steuergerät gesteuerten Maschine Download PDF

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    • G05B23/00Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0256Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults injecting test signals and analyzing monitored process response, e.g. injecting the test signal while interrupting the normal operation of the monitored system; superimposing the test signal onto a control signal during normal operation of the monitored system

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Abstract

Verfahren zur Prüfung einer durch ein Steuergerät gesteuerten Maschine, wobei eine Verstelleinrichtung zwischen das Steuergerät und die Maschine geschaltet wird, wobei ein Fehler simuliert wird und wobei eine Reaktion der Maschine und der Steuereinrichtung auf den simulierten Fehler geprüft wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer durch ein Steuergerät gesteuerten Maschine, wobei eine Verstelleinrichtung zwischen das Steuergerät und die Maschine geschaltet wird, wobei ein Fehler simuliert wird und wobei eine Reaktion der Maschine und der Steuereinrichtung auf den simulierten Fehler geprüft wird.
  • Maschinen, wie Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen werden von Steuergeräten gesteuert und überwacht. Nach dem Stand der Technik bestehen diese elektronischen Steuerungseinrichtungen aus Computern, die eine vorher definierte Software ausführen. Üblicherweise ist diese Software nur teilweise an die Bauart der jeweiligen Maschine angepasst. ein Großteil der Anpassung geschieht über die Einstellung anpassbarer Parameter, die beispielsweise in einem nicht-flüchtigen Speicher gesichert und von der Software verwendet werden. Diese Parameter werden kalibriert, damit die Maschine definierte Anforderungen erfüllt. Bei einem Fahrzeug sind zum Beispiel die gesetzlichen Begrenzungen der Schadstoffe im Abgas oder der Geräuschemissionen. Weitere Anforderungen ergeben sich aus Anforderungen des Benutzers der Maschine, wie der Kraftstoffverbrauch oder die Leistung.
  • Häufig enthält die Steuerungseinrichtung Überwachungsfunktionen mit Fehlererkennung, die auch als On-Board-Diagnose oder OBD bezeichnet werden. Diese dienen dazu, Zustände und deren Ursachen zu erkennen, die die Anforderungen nicht erfüllen, und dem Benutzer oder dem Wartungspersonal diese anzuzeigen. Damit lässt sich vermeiden, dass die Maschine länger in einem nicht den Anforderungen genügendem Zustand betrieben wird. Eine korrekte Kalibrierung der einstellbaren Parameter vermeidet, dass eine intakte Maschine fälschlich als defekt angezeigt wird und umgekehrt. Um diese Parameter zu bestimmen und zu kalibrieren, werden üblicherweise spezielle Versuche durchgeführt, die den Einfluss eines Parameters maximieren und gleichzeitig die Einflüsse der anderen Parameter minimieren. Außerdem werden spezielle Versuchsreihen durchgeführt, um den vollständigen Wirkungsbereich eines Parameters abzudecken. Um die Wiederholbarkeit und Aussagekraft dieser Versuche zu maximieren, werden diese üblicherweise im Labor durchgeführt. Im Falle eines Kraftzeuges bedeutet dies, dass der Motor separat auf einem Motorprüfstand betrieben wird oder das Fahrzeug unter kontrollierten Bedingungen auf einem Fahrzeugprüfstand. Speziell im Motorprüfstand, aber auch im Fahrzeugprüfstand, kann der tatsächliche Betrieb der Maschine nur eingeschränkt simuliert werden, da wichtige Einflüsse nicht oder nicht ausreichend dargestellt werden. Bei einem Fahrzeug entspricht beispielsweise die Anströmung nicht der Realität, es werden Straßenunebenheiten ebenso wenig, wie der Einfluss von Schwallwasser berücksichtigt.
  • Zur Kalibrierung der Überwachungsfunktionen werden bei diesen Versuchen Bauteile verwendet, die gezielt verschlechtert wurden, um die korrekte Fehlererkennung untersuchen und überprüfen zu können. Auch möglich ist, Bauteile zu verwenden, die gealtert oder anderweitig geschädigt sind, aber die Spezifikationen noch erfüllen. Mit diesen Bauteilen ist es möglich, die korrekte Funktion der Maschine mit grenzwertigen Bauteilen zu überprüfen.
  • Um die korrekte Einstellung der Parameter auch außerhalb des Labors zu überprüfen, wird eine kleine Anzahl an Maschinen einem Dauertest unter anwendungsnahen Bedingungen unterzogen. Ein Fahrzeug wird dazu in der Regel auf der Straße im gewöhnlichen Verkehr bewegt. Um die Breite der überprüften Bedingungen zu maximieren, werden unterschiedliche Strecken und Fahrer eingesetzt. Außerdem werden häufig gezielt Überprüfungen an Orten mit ungünstigen Umgebungsbedingungen durchgeführt, z.B. im Gebirge, in der Wüste oder unter Winterbedingungen. Abhängig von der genauen Zielsetzung kann ein solcher Dauertest über einige Tage, teilweise auch über Monate laufen. Anwendungsnahe Dauertests mit verschlechterten, geschädigten oder defekten Bauteilen werden aus Zeit- und Kostengründen nicht durchgeführt. Damit wird nicht überprüft, ob die Kombination aus Umgebungsbedingungen, realistischen Betriebsbedingungen, Benutzereinfluss und Bauteilabweichungen zusammen einen negativen Einfluss haben können.
  • Zum Testen bzw. Überprüfen von Funktionen eines Steuergeräts sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Umgebung des Steuergeräts simuliert wird. Auch diese haben den Nachteil, dass nicht die Kombination aus Umgebungsbedingungen, realistischen Betriebsbedingungen, Benutzereinfluss und Bauteilabweichungen in ihrer Wirkung geprüft werden können. Die Druckschrift DE 10 2009 013 563 A1 beispielsweise offenbart eine Prüfvorrichtung zum Testen und Überprüfen von Funktionen eines Steuergeräts oder einer Steuereinheit. Dabei simuliert eine Analyseeinheit ein elektrisches Verhalten von aktiven und passiven Bauteilen und Komponenten, welche in einem Fahrzeug an das Steuergerät oder die Steuereinheit anschließbar sind, wobei die Analyseeinheit als rekonfigurierbare Hardware ausgebildet ist.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, das eine Prüfung an Maschinen mit Steuergerät in einem anwendungsnahen Betrieb erlaubt, bei der Bauteilabweichungen berücksichtigt werden.
  • Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Prüfung einer durch ein Steuergerät gesteuerten Maschine wird eine Verstelleinrichtung derart zwischen das Steuergerät und die Maschine geschaltet, dass mindestens ein Signal zwischen dem Steuergerät und der Maschine durch die Verstelleinrichtung verstellt wird. Vorzugsweise werden mehrere oder alle Signale zwischen dem Steuergerät und der Maschine durch die Verstelleinrichtung verstellt. Das bedeutet, dass die Verstelleinrichtung die Signale nach einer Vorgabe manipulieren kann. Dazu wird der Signalübertragungsweg jedes zu manipulierenden Signals durch die Verstelleinrichtung geleitet. Es muss dabei nicht notwendigerweise jedes Signal, dessen Signalübertragungsweg über die Verstelleinrichtung läuft auch zu jedem Zeitpunkt verstellt werden. Erfindungsgemäß verstellt die Verstelleinrichtung das Signal bzw. die zu verstellenden Signale so, dass ein Fehler simuliert wird, wobei eine Reaktion der Maschine und der Steuereinrichtung auf den simulierten Fehler geprüft wird. Betriebsparameter der Maschine und/oder die Signale werden dabei vorzugsweise in einem Umfang gemessen, überwacht bzw. aufgezeichnet, wie bei einer solchen Prüfung üblich und bekannt. Die Prüfung der Reaktion der Maschine und der Steuereinrichtung besteht beispielsweise darin, zu prüfen, ob die Steuereinrichtung die Maschine so einstellt, dass diese unter den Bedingungen des simulierten Fehlers in einem optimalen oder zumindest in einem zulässigen Betriebsbereich arbeitet. Der simuliert Fehler soll also möglichst kompensiert werden.
  • Als Fehler im Sinne der Erfindung wird jede Abweichung von einem theoretischen Optimalwert oder Normwert bezeichnet. Der simulierte Fehler des Signals ist nicht notwendigerweise mit einer Fehlfunktion eines Bauteils gleichzusetzen, sondern kann in einer Bandbreite von einer geringfügigen, in der Fertigungstoleranz liegenden Abweichung bis hin zu einem Ausfall variiert werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft möglich, den Effekt von Bauteilfehlern, z.B. von Sensoren und Aktoren im anwendungsnahen Betrieb zu simulieren. Es ist dabei nicht notwendig und nicht vorgesehen, spezielle Softwaremodule für die Steuerungseinrichtung zu verwenden, um die betreffenden Signale innerhalb der Steuerungseinrichtung zu manipulieren, da derartige Ansätze häufig nicht genehmigungsfähig für Maschinen sind, die eine behördliche Zulassung benötigen, wozu auch Kraftfahrzeuge zählen.
  • Die Verwendung einer externen Verstelleinrichtung erlaubt es, ähnlich kosten- und zeitgünstig vorzugehen, vorteilhafterweise ohne die Steuerungseinrichtung der Maschine verändern zu müssen. Dadurch wird eine vorteilhaft große Stichprobenanzahl bei der Durchführung der Prüfung möglich, ohne die behördliche Zulassung zu gefährden. Eine solche Verstelleinrichtung wird besonders bevorzugt in den Signalweg zwischen der Steuerungseinrichtung und der Maschine, bzw. Sensoren und Aktoren der Maschine geschaltet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Überwachungsfunktion des Steuergeräts geprüft wird, wobei der simulierte Fehler besonders bevorzugt so gewählt wird, dass mindestens ein Betriebsparameter der Maschine in einem Bereich um einen Grenzwert liegt, wobei der simulierte Fehler nur bei einem Überschreiten des Grenzwerts als Fehlfunktion gemeldet werden soll. Der Grenzwert ist dabei nicht notwendigerweise ein konstanter Wert, sondern kann beispielsweise von Betriebs- und Umgebungsparametern abhängen. Bevorzugt wird der Grenzwert oder eine Verlauf des Grenzwerts für den Betriebsparameter vor der Prüfung festgelegt. Hier besteht die Prüfung der Reaktion der Maschine und der Steuereinrichtung beispielsweise darin, ob die Überwachungsfunktion der OBD-Einrichtung des Steuergeräts eine Fehlfunktion im Sinne einer außerhalb der Toleranz arbeitenden Maschine korrekt erkennt, also zum einen keine zwar abweichende, aber noch innerhalb der Toleranz arbeitende Maschine als Fehlfunktion meldet und zum anderen bei Überschreiten des zulässigen Betriebsbereichs eine Fehlfunktion zu signalisieren.
  • Die Steuerung nutzt Sensoren, um den Wunsch des Benutzers, den Zustand der Maschine und die Umgebungsbedingungen zu erfassen. Durch die Aktoren ist die Steuerung in der Lage, den Zustand der Maschine zu beeinflussen, um die Vorgaben zu erfüllen. Die angesprochenen Sensoren erfassen z.B. Temperaturen, Drücke oder Positionen. Die angesprochenen Aktoren können z.B. die Position eines Ventils ändern, Kraftstoff einspritzen oder Pumpen betätigen. Der Wunsch des Benutzers beinhaltet z.B. eine Leistungsanforderung. Sensoren, Aktoren und andere Bauteile der Maschine können fehlerbehaftet sein und sich nicht ideal verhalten. Dies kann durch Fertigungstoleranzen, Alterungseffekte und Defekte verursacht werden. Der von einem Sensor gelieferte Messwert entspricht dann nicht den Tatsachen. Ein fehlerbehafteter Aktor beeinflusst die Maschine nicht im vorgesehenen Ausmaß. Beides bewirkt, dass die Steuerungseinrichtung nicht in der Lage ist, den vorgegebenen Betriebszustand korrekt einzustellen und die Vorgaben einzuhalten, also z.B. die Schadstoffemissionen zu begrenzen. In Anbetracht von Fertigungstoleranzen und Alterungseffekten, sind Fehler von Sensoren und Aktoren zu erwarten, sollten sich aber im Rahmen vorher definierte Grenzen bewegen. Solange sich alle Fehler innerhalb der definierten Grenzen bewegen, egal in welcher Kombination und Ausprägung, sollte die Steuerungseinrichtung in der Lage sein, einen Betriebszustand herzustellen, der allen Anforderungen genügt. Besonders Fehler der Aktoren können häufig kompensiert werden, wenn durch die Sensormessungen der tatsächliche Betriebszustand hinreichend genau bekannt ist. Außerdem sollte auch vermieden werden, dass die Überwachungsfunktion oder Überwachungseinrichtung fälschlich einen Defekt meldet, solange sich alle Fehler innerhalb der definierten Grenzen bewegen. Andererseits, wenn einer oder mehrere Fehler außerhalb der definierten Grenzen liegen, sollte die Überwachungseinrichtung oder Überwachungsfunktion einen Defekt anzeigen und das fehlerhafte Bauteil korrekt benennen. In diesem Fall, aber auch wenn der Fehler nicht oder nicht korrekt erkannt wird, sollte die Steuerungseinrichtung die Maschine in einen Betriebszustand bringen, der die Anforderungen immer noch möglichst weit erfüllt. In vielen Fällen ist nicht nur die Art und das Ausmaß eines einzelnen Fehlers für die Reaktion der Maschine relevant, sondern die Kombination aller möglichen Fehler ist ebenfalls von Bedeutung.
  • Die Überprüfung der Überwachungsfunktion kann vorteilhaft nicht nur einzelne Stichproben aus den möglichen Kombinationen aller möglichen Fehler auswählen, sondern ein beliebige Vielzahl von Stichproben auswerten. Eine Stichprobe entspricht z.B. einem individuellen Kraftfahrzeug. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, unter Einhaltung der üblichen finanziellen und zeitlichen Begrenzungen, so viele Stichproben durchzuführen, dass eine belastbare statistische Aussage über den Einfluss aller möglichen Fehler und Fehlerkombinationen erhalten wird.
  • Zur Überprüfung der Überwachungseinrichtungen ist es vorteilhaft nicht mehr nötig, Sensoren und Aktoren zu verwenden, deren Fehler außerhalb der definierten Grenzwerte liegen, die üblicherweise nicht einfach verfügbar sind und gesondert hergestellt und verbaut werden müssen. Die Prüfung wird daher bevorzugt in vorteilhafter Weise während eines anwendungsnahen Dauerbetriebs der Maschine durchgeführt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das von der Verstelleinrichtung verstellte Signal ein Messsignal eines Sensors ist, wobei das Messsignal zwischen dem Sensor und der Steuereinrichtung verstellt wird. Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, dass das von der Verstelleinrichtung verstellte Signal ein Stellsignal für einen Aktor ist, wobei das Stellsignal zwischen der Steuereinrichtung und dem Aktor verstellt wird.
  • Dadurch ist die Verstelleinrichtung vorteilhaft in der Lage, Messsignale zu verändern, bevor diese die Steuerungseinrichtung erreichen. Damit ist es möglich, einen fehlerbehafteten Sensor zu simulieren. Ebenso ist es möglich, Stellsignale der Steuerungseinrichtung zu verändern, bevor diese die Aktoren erreichen. Damit verhält sich der Aktor ebenfalls nicht wie vorgesehen, was einem fehlerbehafteten Aktor entspricht. Wenn die Steuerungseinrichtung intern berechnete Signale über eine Schnittstelle zur Verfügung stellt, können diese in der Verstelleinrichtung verwendet werden, um die Fehlersimulation zu verbessern. Die Verstelleinrichtung ist vorteilhaft in der Lage, die meisten Fehler und Fehlerkombinationen gleichzeitig zu simulieren.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der simulierte Fehler zeitlich verändert wird. Die zeitliche Änderung kann dabei schrittweise oder kontinuierlich erfolgen. Besonders bevorzugt wird das Zeitverhalten des simulierten Fehlers so gewählt, dass die Änderungen des Signals wesentlich schneller erfolgen, als bei einem tatsächlichen Fehler. Weiterhin bevorzugt wird das Zeitverhalten des simulierten Fehlers an ein Zeitverhalten einer Adaptionsfunktion des Steuergeräts angepasst.
  • Während des Dauertests werden dazu insbesondere Verstellparameter der Verstelleinrichtung in vorher definierten Zeitabständen geändert. Diese Zeitabstände können regelmäßig oder zufällig gewählt sein. Es ist möglich, die Verstellparameter zum nächsten Zeitschritt ohne Übergang zu ändern. Dies ermöglich es, die Maschine möglichst lang mit einer gewählten Kombination zu betreiben. Allerdings sind derartige plötzliche Übergänge im normalen Betrieb der Maschine nicht zu erwarten, da z.B. Alterungseffekte eher schleichend stattfinden. Daher ist es empfehlenswert, den Übergang von einer Kombination von Parametern zur nächsten eher gleitend stattfinden zu lassen. Das Zeitverhalten dieser Übergänge wird so gewählt, dass die Änderungen signifikant schneller stattfinden als in einem anwendungsnahmen Betrieb zu erwarten ist. Dies ermöglicht es vorteilhaft, eine große Zahl möglicher Fehler und Fehlerkombinationen zu überprüfen und die Reaktion der Maschine zu bestimmen. Falls die Steuerungseinrichtung über eine Adaptionsfunktion verfügt, die sich an Fehler anpassen kann, ist das Zeitverhalten vorteilhaft so anzupassen, dass die Änderungen nicht signifikant schneller als die Reaktionszeiten der Adaptionsfunktion sind.
  • Der simulierte Fehler wird bevorzugt durch ein zumindest innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zufälliges Verstellen des Signals randomisiert. Alternativ ist vorgesehen, dass der simulierte Fehler durch ein innerhalb eines vorbestimmten Bereichs lineares Verstellen des Signals systematisiert wird.
  • Eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens bestimmter Funktionseinbußen der Maschine in einem Anwendungsbetrieb wird bevorzugt anhand von bei der Prüfung ermittelten Wahrscheinlichkeiten abgeschätzt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen sind beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
  • Es zeigen
  • 1 ein Ablaufschema zur Illustration einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Turbolader, der von einem Steuergerät gesteuert wird als Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 ein Diagramm zur Illustration einer Überwachungsfunktion;
  • 4 den Verbrennungsmotor gemäß 2 mit einer Verstellvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 5 ein Diagramm zur Illustration einer Durchführung des Erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Überprüfung einer Überwachungsfunktion.
  • Das in der 1 dargestellte Ablaufschema stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, bei dem eine durch ein Steuergerät gesteuerten Maschine geprüft wird, wobei eine Verstelleinrichtung derart zwischen das Steuergerät und die Maschine geschaltet wird, dass mindestens ein Signal zwischen dem Steuergerät und der Maschine durch die Verstelleinrichtung verstellt wird, wobei die Verstelleinrichtung das Signal so verstellt, dass ein Fehler simuliert wird und wobei eine Reaktion der Maschine und der Steuereinrichtung auf den simulierten Fehler geprüft wird.
  • Das im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, durch eine automatisierte Anwendung der Verstelleinrichtung die Vorteile eines Prüfstandbetriebs und eines anwendungsnahen Dauertests zu vereinen, wobei die Nachteile des Dauertests reduziert werden. Die Vorteile des Prüfstandbetriebs liegen in der einfachen und kostengünstigen Verstellung von Sensoren und Aktoren. Die Vorteile des Dauertests liegen dagegen in der Breite der überprüften Bedingungen und Betriebszustände und dem realitätsnahen Betrieb der Maschine. Die zu reduzieren Nachteile des Dauertests liegen in der geringen Anzahl verwendeter Maschinen, die keine Aussage über den Einfluss von bauteilbedingten Abweichungen, z.B. von Sensoren und Aktoren zulässt. Dafür sind folgende Voraussetzungen zu erfüllen:
    • – Maschine mit separatem Steuergerät, das hier auch synonym als Steuerungseinrichtung bezeichnet wird, z.B. ein Verbrennungsmotor mit ECU.
    • – Möglichkeit, diese Maschine langfristig im anwendungsnahmen Umfeld zu betreiben, also z.B. ein in einem Fahrzeug verbauter Verbrennungsmotor.
    • – Verstelleinrichtung, die zwischen Maschine und Steuerungseinrichtung geschaltet ist und es ermöglicht, mindestens einen, bevorzugt beliebige Sensor- und Aktorfehler zu simulieren, insbesondere für alle Sensoren und Aktoren, deren Einfluss zu bestimmen ist.
    • – Informationen über mögliche Fehler und mögliche Ausmaße der Fehler der fraglichen Sensoren und Aktoren, oder wahlweise die Wahrscheinlichkeitsverteilungen des Auftretens dieser Fehler, oder wahlweise ein Zeitverhalten dieser Fehler, also z.B. maximale Änderungsrate.
    • – Definition der Kriterien, die eine korrekte Funktion beschreiben. Diese können z.B. sein: Leistung der Maschine, Schadstoffemissionen, Energie- / Kraftstoffverbrauch, Lautstärke / Vibrationen, subjektiver Leistungseindruck des Benutzers, korrekte Erkennung von intakten und defekten Bauteilen, bzw. Abstand zu den Fehlerschwellen der Überwachungseinrichtungen.
  • Sind diese Voraussetzungen erfüllt, wird folgendes Verfahren angewandt: Zu Beginn der Erprobung 101 wird die Verstelleinrichtung in Verfahrensschritt 102 installiert und eingerichtet, so dass alle zu überprüfenden Sensoren und Aktoren zeitgleich verstellt werden können. Sodann wird eine initiale Kombination aus Verstellparametern gewählt. Diese Verstellparameter definieren, welcher Einfluss auf welche Sensoren und Aktoren ausgeübt wird, d.h. z.B. die Richtung und Stärke des Fehlers, also der Abweichung vom tatsächlichen Wert. Die Wahl der Verstellparameter in Verfahrensschritt 103 kann zufällig oder systematisch erfolgen. Im anschließenden Verfahrensschritt 104 wird die Maschine in einem anwendungsnahen Umfeld betrieben.
  • Bei einer zufälligen Wahl werden die Parameter nach entsprechenden Wahrscheinlichkeitsverteilungen ausgewählt, die sicherstellen, dass am Ende der Erprobung die Verteilungen der Parameter den vorher definierten Wahrscheinlichkeitsverteilungen entsprechen. Diese Vorgehensweise erlaubt es, die Wahrscheinlichkeitsverteilung der funktionalen Kriterien in Abhängigkeit der Fehler zu bewerten. Bei einer systematischen Wahl liegt die Zielsetzung in der vollständigen Überprüfung aller möglichen Kombinationen aus Abweichungen und ihren Ausmaßen. In diesem Fall ist es empfehlenswert, die Parameter so zu wählen, dass Ergebnisse in der Nähe der Grenzwerte bevorzugt werden. Mit diesem Vorgehen wir überprüft, dass kein funktionales Kriterium außerhalb der Grenzwerte liegt, die eine korrekte Funktion beschreiben. Dieses Vorgehen bewirkt ein deterministisches Verhalten, erfordert allerdings üblicherweise ein umfangreicheres Messprogramm.
  • Während des nun stattfindenden Dauertests der Schritte 103 bis 110 werden die Verstellparameter in vorher definierten Zeitabständen geändert. Das Zeitverhalten ist in Entscheidungsschritt 106 dargestellt. Soll der Fehler nicht oder noch nicht geändert werden, wird gemäß Pfeil 107 der Dauerbetrieb der Maschine im anwendungsnahen Umfeld gemäß Schritt 104 ohne Änderung des Fehlers fortgesetzt. Zur Änderung des Fehlers wird gemäß Pfeilen 108, 110 die Wahl der Verstellparameter in Schritt 103 wiederholt, während im Schritt 104 die Maschine weiter in einem anwendungsnahen Umfeld betrieben wird. Diese Zeitabstände können regelmäßig oder zufällig gewählt sein. Es ist möglich, die Verstellparameter zum nächsten Zeitschritt ohne Übergang zu ändern. Dies ermöglich es, die Maschine möglichst lang mit einer gewählten Kombination zu betreiben. Allerdings sind derartige plötzliche Übergänge im normalen Betrieb der Maschine nicht zu erwarten, da z.B. Alterungseffekte eher schleichend stattfinden. Daher ist es empfehlenswert, den Übergang von einer Kombination von Parametern zur nächsten eher gleitend stattfinden zu lassen. Das Zeitverhalten dieser Übergänge wird so gewählt, dass die Änderungen signifikant schneller stattfinden als in einem anwendungsnahen Betrieb zu erwarten ist. Dies ermöglicht es, eine große Zahl möglicher Fehler und Fehlerkombinationen zu überprüfen und die Reaktion der Maschine zu bestimmen. Falls die Steuerungseinrichtung über Adaptionsfunktionen verfügt, die sich an Fehler anpassen können, ist das Zeitverhalten so zu wählen, dass die Änderungen nicht signifikant schneller als die Reaktionszeiten der Adaptionsfunktionen sind. Das Aufzeichnen funktionaler Kriterien erfolgt jeweils in Verfahrensschritt 105.
  • Ein identisches Verfahren wird angewendet, um die korrekte Erkennung von Fehlern außerhalb der Grenzwerte zu erkennen. Dafür wird der Fehler des fraglichen Sensors oder Aktors außerhalb des Defektgrenzwertes fixiert, während die Fehler der anderen Sensoren und Aktoren wie oben beschrieben variiert werden. Während des Dauertests werden, neben den Verstellparametern, die Kriterien in Schritt 105 aufgezeichnet, die es ermöglichen, Fehlfunktionen der Maschine zu erkennen. Damit ist möglich, die Korrelation zwischen Verstellparametern und Funktionskriterien zu bewerten, um die Ursache eventueller Funktionsstörungen zu bestimmen. Ebenfalls ist es empfehlenswert, Zustände genauer zu analysieren, in dem der Zustand der Maschine am Rande der Fehlerfunktion war. Der Dauertest wird gemäß Pfeil 111 nach einer Entscheidung in Schritt 109 beendet, wenn alle vorher definierten Kombinationen aus Verstellparametern überprüft wurden, oder wenn die vorher definierte Maximaldauer des Erprobung erreicht ist. Es schließt sich dann eine Analyse der Ergebnisse 112 an. Insgesamt ermöglicht dieses Verfahren, die korrekte Funktion der Maschine in kürzerer Zeit und mit geringerem Aufwand zu verifizieren. Dabei wird die vollständige Bandbreite der möglichen Sensor- und Aktorfehler und ihrer Kombinationen überprüft.
  • Mit Bezug auf die 2 bis 5 wird im Folgenden exemplarisch die Anwendung des Verfahrens zur Überprüfung einer OBD-Funktion eines Verbrennungsmotors beschrieben. Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 1 mit einem Turbolader, der von einem Steuergerät 2 gesteuert wird. Dafür werden Informationen über den Zustand des Motors 1 von einem Kühlwassertemperatur- und einem Ladedrucksensor 7 erfasst und an die Steuerungseinrichtung 2 übermittelt. Zusätzlich werden Informationen über die Umgebungsbedingungen mittels eines Temperatursensors 8 erfasst. Die Steuerungseinrichtung 2 kann den Turbolader des Motors 1 mit dem Aktor 3 beeinflussen. Die Steuerungseinrichtung 2 enthält eine Kontrollstruktur 5, die auf Basis der Sensorinformationen den gewünschten Ladedruck einstellt. Außerdem befindet sich eine Überwachungsstruktur 6 in der Steuerungseinrichtung 2. Diese nutzt die übermittelten Sensorwerte um Überwachungsfunktionen auszuführen, die Fehlfunktionen des Motors 1 erkennen und vermittels einer geeigneten Anzeigeeinrichtung 4 an einen Benutzer melden. Eine solche Fehlfunktion würde z.B. bestehen, wenn der notwendige Ladedruck nicht erreicht wird.
  • Das Diagramm in 3 dient zur Illustration der Überwachungsfunktionen. Die Überwachungsfunktionen berechnen einen oder mehrere Kriteriumswerte 9, die mit jeweils einem oder mehreren Grenzwerten 10 verglichen werden. Das Kriterium 9 ist in diesem Fall die Abweichung zwischen einem notwendigem und einem erreichten, also gemessenen Ladedruck. Die Grenzwerte 10 sind gegebenenfalls von einem Betriebszustand des Motors 1 abhängig oder werden separat berechnet. Bei einem idealen, vollständig den Spezifikationen entsprechenden Motor 1 wird der Erwartungswert 11 ausreichend weit vom Grenzwert 10 entfernt sein. Der Erwartungswert ist hier null, da im Idealfall keine Abweichung zwischen notwendigem und gemessenen Ladedruck besteht. Einflüsse des Betriebszustands, der Umgebungsbedingungen und Fehler der Sensoren 7, 8 und Aktoren 3 verschieben den Kriteriumswert 9 entsprechend einer Verteilung 12. Zum Beispiel vergeht eine gewisse Zeit, nachdem der Betriebszustand des Motors 1 geändert wurde, bis der neue Ladedruck korrekt eingestellt wird. Falls ein innerhalb der Spezifikationsgrenzen liegender Motor 1 spezifikationsgemäß betrieben wird, aber trotzdem der Kriteriumswert 9 den Grenzwert 10 überschreitet, liegt ein Falschfehler vor. Dies muss während der Entwicklung überprüft und ausgeschlossen werden. Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie in 4 dargestellt, eine Verstelleinrichtung 13 verwendet, die zwischen dem Motor 1 und der Steuerungseinrichtung 2 geschaltet wird und in der Lage ist, Signale sowohl von den Sensoren 7, 8, als auch von den Aktoren 3 zu verstellen, bevor diese jeweils verwendet werden. Die Verwendung einer separaten Verstelleinrichtung 13 hat den Vorteil, dass weder am Motor 1 noch an der Steuerungseinrichtung 2 signifikante Modifikationen nötig sind. Während eines ansonsten gewöhnlichen Dauerlauftests des Fahrzeugs werden nun die Messsignale der Sensoren 7, 8 und die Stellsignale für die Aktoren 3 durch die Verstelleinrichtung 13 so verstellt, dass die verwendeten Werte von Ideal abweichen, also einen simulierten Fehler im Sinne der Erfindung aufweisen. Diese Abweichungen liegen in dem dargestellten Beispiel innerhalb der Spezifikationen. Um nun möglichst viele, im Feld möglicherweise auftretenden Konstellationen von Abweichungen überprüfen zu können, werden die Verstellparameter in laufenden Betrieb kontinuierlich variiert.
  • Beispielhaft ist in der 5 die Überprüfung einer Überwachungsfunktion anhand eines Diagramms verdeutlicht. Dieses Beispiel zeigt drei Verstellparameter 14, d.h. drei Sensor- oder Aktorwerte werden über einen mit dem Pfeil 100 dargestellten Zeitverlauf verstellt. Diese beinhalten die Umgebungstemperatur, den Ladedruck und die Turboladereinstellung. Die Kühlwassertemperatur wird in diesem Beispiel nicht variiert. Dies kann z.B. der Fall sein, weil sich bereits vor dem Dauertest gezeigt hat, dass die Kühlwassertemperatur keinen Einfluss auf den Ladedruck hat. In diesem Fall werden die Verstellparameter 14 so variiert, dass alle erlaubten Kombinationen überprüft werden. Kombiniert mit weitere Variationen durch wechselnde Betriebszustände und Umgebungsbedingungen ergibt sich damit ein Kriteriumswert 15, der in diesem Beispiel innerhalb der Grenzwerte 16 bleibt. Die Einstellung des Ladedrucks ist also selten ideal, aber immer ausreichend genau, dass der Motor 1 spezifikationsgemäß funktioniert.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Steuergerät, Steuerungseinrichtung
    3
    Aktor
    4
    Anzeigeeinrichtung
    5
    Kontrollstruktur
    6
    Überwachungsstruktur
    7
    Ladedrucksensor
    8
    Temperatursensor
    9
    Kriteriumswert
    10
    Grenzwert
    11
    Erwartungswert
    12
    Verteilung
    13
    Verstelleinrichtung
    14
    Verstellparameter
    15
    Kriteriumswert
    16
    Grenzwert
    100
    Pfeil, Zeitverlauf
    101
    Beginn der Erprobung
    102
    Verfahrensschritt
    103
    Verfahrensschritt
    104
    Verfahrensschritt
    105
    Verfahrensschritt
    106
    Entscheidung Zeitverhalten
    107
    Pfeil
    108
    Pfeil
    109
    Entscheidung Abbruch
    110
    Pfeil
    111
    Pfeil
    112
    Analyse, Auswertung, Verfahrensende
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009013563 A1 [0006]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Prüfung einer durch ein Steuergerät (2) gesteuerten Maschine (1), wobei eine Verstelleinrichtung (13) derart zwischen das Steuergerät und die Maschine geschaltet wird, dass mindestens ein Signal zwischen dem Steuergerät und der Maschine durch die Verstelleinrichtung verstellt wird, wobei die Verstelleinrichtung das Signal so verstellt, dass ein Fehler simuliert wird und wobei eine Reaktion der Maschine und der Steuereinrichtung auf den simulierten Fehler geprüft wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungsfunktion des Steuergeräts (2) geprüft wird, wobei der simulierte Fehler so gewählt wird, dass mindestens ein Betriebsparameter der Maschine (1) in einem Bereich um einen Grenzwert liegt, wobei der simulierte Fehler nur bei einem Überschreiten des Grenzwerts als Fehlfunktion gemeldet werden soll.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert oder ein Verlauf des Grenzwerts für den Betriebsparameter vor der Prüfung festgelegt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Verstelleinrichtung (13) verstellte Signal ein Messsignal eines Sensors (7, 8) ist, wobei das Messsignal zwischen dem Sensor und der Steuereinrichtung (2) verstellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Verstelleinrichtung verstellte Signal ein Stellsignal für einen Aktor (3) ist, wobei das Stellsignal zwischen der Steuereinrichtung (2) und dem Aktor verstellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung während eines anwendungsnahen Dauerbetriebs der Maschine durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der simulierte Fehler zeitlich verändert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitverhalten des simulierten Fehlers so gewählt wird, dass die Änderungen des Signals wesentlich schneller erfolgen, als bei einem tatsächlichen Fehler.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitverhalten des simulierten Fehlers an ein Zeitverhalten einer Adaptionsfunktion des Steuergeräts (2) angepasst ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der simulierte Fehler durch ein zumindest innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zufälliges Verstellen des Signals randomisiert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der simulierte Fehler durch ein innerhalb eines vorbestimmten Bereichs lineares Verstellen des Signals systematisiert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens bestimmter Funktionseinbußen der Maschine (1) in einem Anwendungsbetrieb anhand von bei der Prüfung ermittelten Wahrscheinlichkeiten geschätzt wird.
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