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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Motorsysteme für Nutzfahrzeuge, insbesondere Motorsysteme, die mit einer stellbaren Abgasklappe versehen sind, um eine Motorstaubremse zu realisieren. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Plausibilisierung einer Position einer Abgasklappe, um einen Fehler zu erkennen und ein ungewolltes Bremsen des Fahrzeugs zu vermeiden.
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Technischer Hintergrund
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In Nutzfahrzeugen sind bestimmte Betriebsarten des Motorsystems notwendig, um neben Reibungsbremsen eine signifikante Bremswirkung für das Fahrzeug zu erreichen. Mithilfe der Motorbremse wird Bewegungsenergie in Wärmeenergie durch Kompression von Gas in einem Zylinder oder in einem Staubereich umgewandelt. Beispielsweise wird bei der Dekompressionsbremse die im Verdichtungstakt geleistete Arbeit für den folgenden Arbeitstakt des Verbrennungsmotors nicht genutzt, indem am Ende des Verdichtungstakts die Auslassventile oder ein zusätzlich eingebautes Auslassventil geöffnet und damit der Druck im Zylinder abgebaut wird.
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Bei einer weiteren Betriebsweise, die unter der Bezeichnung Motorstaubremse bekannt ist, wird der Verbrennungsmotor durch die Bewegung des Fahrzeugs geschleppt und Frischluft ohne Kraftstoffeinspritzung durch die Zylinder in einen Staubereich im Abgastrakt komprimiert, der sich zwischen den Auslassventilen und einer Abgasklappe in dem Abgastrakt befindet. Für die Realisierung eines solchen Bremsverfahrens ist die ordnungsgemäße Funktion der Abgasklappe essentiell.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Plausibilisierung einer Position der Abgasklappe gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Plausibilisierung einer Position einer Abgasklappe in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor in einem Steuergerät vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Betreiben des Motorsystems, wobei die Abgasklappe entsprechend einer Anforderung eines Motorstaubremsbetriebs variabel ansteuerbar ist;
- - Rücklesen einer Ist-Abgasklappenposition mit einem Abgasklappenpositionssensor, der an der Abgasklappe angeordnet ist;
- - Plausibilisieren der Ist-Abgasklappenposition abhängig von einer Soll-Abgasklappenposition in einer ersten Überwachungsfunktion;
- - Bei Erkennen eines Fehlers durch die erste Überwachungsfunktion, Ansteuern der Abgasklappe zum Öffnen.
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Für die Realisierung des Motorstaubremsbetriebs im Motorsystem eines Nutzfahrzeugs ist die Funktionsweise einer Abgasklappe im Abgastrakt essentiell. Die Abgasklappe wird zum Aktivieren des Motorstaubremsbetriebs geschlossen, so dass sich stromabwärtig der Auslassventile der Zylinder des Verbrennungsmotors durch das Schleppen des Verbrennungsmotors ein Druck aufbaut, der den Ausstoß der Gasfüllung in den Zylindern des Verbrennungsmotors erschwert und ein erhöhtes Bremsmoment des Verbrennungsmotors bewirkt. Die Einstellung der Abgasklappe ist in der Regel variabel, um den Druck im Staubereich zu regulieren. Ist, beispielsweise ausgelöst durch einen funktionalen Fehler der Abgasklappe oder durch einen zufälligen Hardwarefehler im entsprechenden Steuergerät die Abgasklappe vollständig oder zu weit geschlossen, kann die Kompression im Verbrennungsmotor und somit die Bremsleistung zu groß werden. Dies kann zu blockierenden Rädern und dadurch zu einem instabilen Zustand des Fahrzeugs führen.
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Bisher beschränkt sich die Überwachung der Position der Abgasklappe als Motorbremse sich auf die Überwachung der Aktivierungsbedingung, die jedoch keine Aussage über die tatsächliche Position der Abgasklappe geben kann, die für die Bremswirkung maßgeblich ist, und die ordnungsgemäße Funktion des ansteuernden Steuergeräts. Dagegen sieht obiges Verfahren vor, die Position der Abgasklappe direkt zu überwachen.
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Dazu wird zunächst die Abgasklappe mit einer Positionssensorik versehen, so dass die aktuelle Ist-Position der Abgasklappe in das Steuergerät zurückgelesen werden kann.
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Weiterhin kann in einer ersten Überwachungsfunktion ein Fehler festgestellt werden, wenn ein Überschreiten einer vorgegeben maximal zulässigen Position und/oder eine gewünschte Soll-Abgasklappenposition von der aktuellen Ist-Abgasklappenposition um mehr als einen Schwellenbetrag abweicht.
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Durch das Rücklesen der Ist-Abgasklappenposition kann diese somit einerseits mit einer maximal zulässigen Position verglichen werden, um ein Überschreiten der maximal zulässigen Position als mögliche Fehler zu erkennen. Andererseits kann, um eine klemmende Abgasklappe zu erkennen, die gewünschte Soll-Abgasklappenposition der Abgasklappenregelung mit einer aktuellen Ist-Abgasklappenposition verglichen werden, um eine zu hohe Abweichung als klemmende Abgasklappe zu erkennen. Eine entsprechende Fehlerreaktion kann bei Verletzung einer der beiden Fehlerbedingungen eingeleitet werden.
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Das obige Überwachungsverfahren kann in einem Drei-Ebenen-Sicherheitskonzept entsprechend ISO 26262 implementiert sein. Das Drei-Ebenen-Überwachungskonzept sieht eine Funktionsausführung in einer Funktionsebene (erste Ebene), eine Überwachung der Funktionsebene in einer Überwachungsebene (zweite Ebene) und eine Überwachung der Hardware der Überwachungsebene in einer Sicherheitsebene (dritte Ebene) vor. Die erste Überwachungsfunktion ist dazu in der Funktionsebene implementiert.
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Dazu kann in der Überwachungsebene eine zweite Überwachungsfunktion für die Ist-Abgasklappenposition implementiert sein, wobei die zweite Überwachungsfunktion eine von der ersten Überwachungsfunktion unabhängige Funktion bereitstellt und einen Fehler signalisiert, wenn die Ist-Abgasklappenposition einen parallel berechneten Abgasklappenpositionsschwellenwert unterschreitet.
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Insbesondere kann bei Erkennen eines Fehlers durch die zweite Überwachungsfunktion eine Freigabe der ersten Überwachungsfunktion entzogen werden, wobei die erste Überwachungsfunktion ausgebildet ist, die Abgasklappe zu öffnen, wenn die Freigabe entzogen ist.
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Gemäß diesem Konzept wird eine Fehlerreaktion eingeleitet, wenn in der Funktionsebene oder in der Überwachungsebene ein entsprechender Fehler erkannt worden ist, um eine ausreichende Sicherheitsintegrität zu gewährleisten.
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Es kann vorgesehen sein, dass, wenn nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach Entziehen der Freigabe durch die Überwachungsebene die erste Überwachungsfunktion die Abgasklappe nicht öffnet, die Abgasklappe durch die zweite Überwachungsfunktion deaktiviert wird, insbesondere durch Ausschalten der Energieversorgung.
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Die Fehlerreaktion bei Erkennen eines Fehlers kann somit mehrere Stufen umfassen. Bei Erkennen eines Fehlers in der zweiten Überwachungsfunktion kann zunächst kurzzeitig (z.B. zwischen 0,1 bis 5 Sekunden) die Freigabe durch die Überwachungsebene entzogen werden, so dass die Funktionsebene die Möglichkeit hat, die Abgasklappe zur Reduzierung der Bremswirkung selbständig zu öffnen. Sollte dies nicht innerhalb einer bestimmten Zeit erfolgen, kann die Überwachungsebene eine Stromversorgung für die Abgasklappe unterbrechen und dadurch die Abgasklappe automatisch öffnen.
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In einer dritten Überwachungsfunktion in einer Sicherheitsebene kann eine Funktionsfähigkeit der Hardware des Steuergeräts überwacht werden, wobei bei Erkennen eines Hardwarefehlers die Abgasklappe durch die dritte Überwachungsfunktion über einen separaten Abschaltpfad deaktiviert wird.
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Somit kann zusätzlich bei erkannten Hardwarefehlern durch die Sicherheitsebene ein separater Abschaltpfad getriggert werden, um den Leistungstreiber zur Ansteuerung der Abgasklappe stromlos zu schalten. Auf diese Weise kann die Überwachung der Abgasklappe unmittelbar durch Rücklesen der Ist-Abgasklappenpositionen erfolgen und in dem Drei-Ebenen-Sicherheitskonzept realisiert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät vorgesehen, das ausgebildet ist, eines der obigen Verfahren auszuführen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Motorsystem, in dem eine Motorstaubremse realisiert ist;
- 2 eine Blockdiagramm zur schematischen Darstellung der Funktionen zur Durchführung des Verfahrens zur Plausibilisierung der Funktion einer Abgasklappe und zur Erkennung eines Fehlers der Funktion der Abgasklappe gemäß einem Drei-Ebenen-Sicherheitskonzept; und
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Plausibilisieren der Funktion einer Abgasklappe in einem Motorsystem für ein Nutzfahrzeug.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Nutzfahrzeugs 1 mit einem Motorsystem 2. Das Motorsystem 2 umfasst einen Verbrennungsmotor 3, der von einer Steuereinheit 4 angesteuert wird. Der Verbrennungsmotor 3 wird gemäß einem Viertaktbetrieb betrieben und kann als Dieselmotor ausgebildet sein.
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Im Betrieb stößt der Verbrennungsmotor 3 Verbrennungsabgase in einen Abgastrakt 5 aus. Im Abgastrakt 5 ist eine Abgasklappe 6 angeordnet, die variabel mithilfe der Steuereinheit 4 angesteuert werden kann. Die Abgasklappe 6 ist mit einem Abgasklappenpositionssensor 7 versehen, der eine aktuelle Position der Abgasklappe 6 an die Steuereinheit 4 bereitstellen kann. Die Abgasklappe 6 ist im stromlosen Zustand vollständig geöffnet, so dass die Ansteuerung der Abgasklappe 6 variabel angibt, in welchem Maß die Abgasklappe 6 geschlossen wird.
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Die Abgasklappe 6 wird für den Motorstaubremsbetrieb verwendet, bei dem durch Schließen der Abgasklappe 6 ein Rückstaudruck in einem entsprechenden Staubereich 8 des Abgastrakts 5 erzeugt wird, der dem Ausstoß der Verbrennungsabgase bzw. der durch Zylinder des Verbrennungsmotors 3 geförderter Frischluft entgegenwirkt und dadurch ein Bremsmoment bewirkt. Mit zunehmender Zeitdauer des Bremsbetriebs nimmt der Druck in dem Staubereich 8 zusehends zu und die Bremskraft erhöht sich. Durch variables Einstellen der Abgasklappe 6 kann der Staudruck geregelt werden, um eine gewünschte Bremsleistung zu erreichen.
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Die Einstellung der Position der Abgasklappe 6 kann mithilfe einer Regelung basierend auf einer Ist-Abgasklappenposition erfolgen, die durch den Abgasklappenpositionssensor 7 der Abgasklappe 6 ermittelt wird. Die Position der Abgasklappe 6 spiegelt den Öffnungszustand. Einer vollständig geöffneten Klappe kann ein Wert <0 und einer vollständig geschlossenen Klappe der Wert 0 zugewiesen werden.
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Die Funktion der Abgasklappe 6 ist sicherheitsrelevant, da ein Fehler der Position der Abgasklappe 6 zu instabilen Fahrzuständen führen kann. Somit ist es notwendig, die Ist-Abgasklappenposition zu überwachen, insbesondere um zu verhindern, dass die Abgasklappe 6 zu weit geschlossen wird und damit ein instabiler Zustand des Fahrzeugs entsteht.
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Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Überwachung der Position der Abgasklappe 6 unabhängig von Aktivierungsbedingungen durchgeführt werden kann und lediglich auf der Auswertung der Ist-Abgasklappenposition beruht. Dadurch kann der direkte Einfluss der Abgasklappenposition auf die Bremswirkung überwacht werden und eine mögliche Instabilität des Fahrzeugs vermieden werden.
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2 zeigt ein Blockdiagramm zur Überwachung der Abgasklappenposition basierend auf einem Drei-Ebenen-Sicherheitskonzept. Das Drei-Ebenen-Sicherheitskonzept entspricht nach ISO 26262 dem aktuellen Stand der Fahrzeugtechnik und ist in der Steuereinheit implementiert. Bei dem Drei-Ebenen-Sicherheitskonzept ist eine Funktionsebene zur Durchführung der Steuerungsfunktion implementiert, eine zweite Ebene, eine Überwachungsebene, überwacht die Funktion der Funktionsebene und eine dritte Ebene, die sogenannte Sicherheitsebene, stellt die Integrität der Überwachungsebene sicher.
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Das Drei-Ebenen-Sicherkonzept sieht eine Funktionsausführung in einer Funktionsebene E1, eine Überwachung der Funktionsebene in einer Überwachungsebene E2 und eine Überwachung der Hardware der Überwachungsebene in einer Sicherheitsebene E3 vor.
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Der Abgasklappenpositionssensor 7 ist von der Funktionsebene und der Überwachungsebene ansteuerbar. Das Blockdiagramm der 2 zeigt die Funktionsverteilung gemäß dem Drei-Ebenen-Sicherheitskonzept in dem Steuereinheit 4, um eine Plausibilisierung der Funktion der Abgasklappe 6 bereitzustellen.
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Entsprechend einem Wunsch nach einer Fahrzeugbremsung kann der Abgasklappe durch entsprechende Algorithmen im Steuergerät 4 eine Soll-Abgasklappenposition für eine Positionsregelung der Abgasklappe 6 vorgegeben werden. Diese Soll-Abgasklappenposition Psoll wird sowohl der Funktionsebene E1 als auch der Überwachungsebenen E2 zur Verfügung gestellt.
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Aus einer rückgelesenen Ist-Abgasklappenposition Pist kann nun in der Funktionsebene E1 entsprechend einer Abgasklappenregelung (Positionsregelung) 11 ein entsprechendes Ansteuersignal A an eine Treiberschaltung 9 der Abgasklappe 6 bereitgestellt werden, um diese variabel einzustellen. Die Treiberschaltung kann beispielsweise gemäß einer H-Brückenschaltung ausgebildet sein und mit einem Tastverhältnis als Ansteuersignal A angesteuert werden.
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Die Funktionsebene weist ferner eine erste Überwachungsfunktion 12 auf, die die zurückgelesene Ist-Abgasklappenposition mit einer maximal zulässigen Position vergleicht, um ein Überschreiten der maximal zulässigen Position als mögliche Fehler zu erkennen. Weiterhin kann eine klemmende Abgasklappe 6 erkannt werden, indem die gewünschte Soll-Abgasklappenposition Psoll der Abgasklappenregelung mit der aktuellen Ist-Abgasklappenposition Pist verglichen wird, um eine zu hohe Abweichung (über einem vorgegebenen Fehlerschwellenwert als klemmende Abgasklappe 6 zu erkennen. Eine entsprechende Fehlerreaktion kann bei Verletzung einer der beiden Plausibilisierungen eingeleitet werden.
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In der Überwachungsebene E2 wird eine Überwachung der Funktion der Funktionsebene E1 durchgeführt wird. Hier wird in einer zweiten Überwachungsfunktion 13 eine maximale Schließstellung der Abgasklappe 6 basierend auf separaten Berechnungen abhängig von Psoll ermittelt. Die Berechnungen können vereinfachte Berechnungen darstellen, die lediglich einen Grenzwert angeben, über den hinausgehend die Abgasklappe 6 nicht geschlossen werden darf. Wird eine entsprechende Überschreitung des Grenzwertes durch die Ist-Abgasklappenposition Pist festgestellt, kann eine Fehlerreaktion ausgeführt werden, die umfasst, dass die Abgasklappe 6 unabhängig von der Funktionsebene E1 deaktiviert wird, beispielsweise indem die Treiberschaltung 9 der Abgasklappe 6 vollständig stromlos geschaltet wird.
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Mithilfe der Sicherheitsebene E3 wird die Hardware, die die Überwachungsebene E2 realisiert überwacht und ein zusätzlicher Abschaltpfad zur Verfügung gestellt, der unabhängig von der Funktion der Überwachungsebene die Möglichkeit aufweist, die Abgasklappe 6 stromlos zu schalten, wenn ein Fehler in der Hardware der Überwachungsebene E2 aufgetreten ist.
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In 3 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Plausibilisieren der Funktion der Abgasklappe 6 näher erläutert.
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In Schritt S1 wird zunächst die Ist-Abgasklappenposition Pist durch den Abgasklappenpositionssensor 7 gemessen und die entsprechenden Ist-Abgasklappenpositionen Pist an die Funktionsebene E1 und die Überwachungsebene E2 signalisiert.
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In der Funktionsebene wird in Schritt S2 basierend auf der bereitgestellten Soll-Abgasklappenposition Psoll, die aus vorgelagerten Algorithmen zur Steuerung der Abgasklappe, insbesondere bei einem Motorstaubremsbetrieb, bestimmt wird, eingestellt, und gemäß der Positionsregelung wird eine Ist-Abgasklappenposition Pist der Abgasklappe 6 gesteuert.
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Weiterhin wird in Schritt S3 in der ersten Überwachungsfunktion 12 der Funktionsebene E1 die aktuelle Ist-Abgasklappenposition Pist mit einer vorgegebenen maximal zulässigen Position der Abgasklappe 6 verglichen und ein Fehler festgestellt, wenn eine minimal zulässige Abgasklappenposition unterschritten wird, d.h. die Abgasklappe 6 ist zu weit geschlossen. Die vorgegebene maximal zulässige Position der Abgasklappe 6 kann empirisch in Fahrversuchen ermittelt werden.
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Weiterhin wird in der ersten Überwachungsfunktion 12 der Funktionsebene E1 eine Regelungsabweichung ausgewertet, um eine klemmende Abgasklappe 6 zu erkennen. Dazu wird die Abweichung der Ist-Abgasklappenposition Pist von einer gewünschten Soll-Abgasklappenposition Psoll ermittelt. Ist diese oberhalb einer Schwellenabweichung, so wird auf eine klemmende Abgasklappe 6 geschlossen und ein Fehler festgestellt.
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In der ersten Überwachungsfunktion 12 wird entsprechend ein Fehler erkannt, wenn mindestens eines der beiden oberen Abfragen einen Fehler ergibt. Bei Auftreten eines Fehlers, wird in Schritt S5 die Ansteuerfunktion 11 mithilfe eines ersten Fehlersignals F1 angewiesen, die Abgasklappe 6 weiter oder vollständig zu öffnen, um einen kritischen Zustand zu vermeiden. Der Fehler, der in der Funktionsebene erkannt worden ist, wird auch der Überwachungsebene E2 signalisiert.
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In Schritt S4 wird gemäß der zweiten Überwachungsfunktion 13 der Überwachungsebene E2 eine Fehlerreaktion eingeleitet, wenn die zweite Überwachungsfunktion 13 einen Fehler festgestellt hat. Ein in der Überwachungsebene E2 festgestellter Fehler wird entsprechend auch an die Funktionsebene E1 mit einem zweiten Fehlersignal F2 signalisiert.
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Eine Fehlerreaktion wird über einen erkannten Fehler ausgeführt, wobei zunächst die Freigabe durch die Überwachungsebene E2 entzogen wird. Das Entziehen der Freigabe durch die Überwachungsebene führt dazu, dass die Funktionsebene E1 die Möglichkeit hat, die Abgasklappe 6 selbständig durch Vorgeben eines entsprechenden Ansteuersignals zu öffnen. Dabei überwacht die zweite Überwachungsfunktion 13 das Öffnen der Abgasklappe 6. Sollte das Öffnen der Abgasklappe 6 nicht innerhalb einer bestimmten Zeit nach Entziehen der Freigabe erfolgen, was durch Überwachung der Ist-Abgasklappenposition Pist durch die Überwachungsebene erkannt werden kann, so kann die zweite Überwachungsfunktion 13 die Stromzufuhr der Treiberschaltung 9 unterbrechen und dadurch die Treiberschaltung 9 deaktivieren. Auf diese Weise wird die Abgasklappe 6 stromlos geschaltet, die sich daraufhin vollständig öffnet.
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Die Sicherheitsebene E3 weist eine dritte Überwachungsfunktion 14 auf, die dazu dient, bei Erkennen eines Hardwarefehlers in der Überwachungsebene E2 einen Fehler zu signalisieren und über einen separaten Abschaltpfad die Treiberschaltung 9 stromlos zu schalten.
