DE10215865A1

DE10215865A1 - Verfahren und Steuergerät zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Kraftfahrzeugkomponente

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Publication number: DE10215865A1
Application number: DE10215865A
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2003-11-06
Also published as: US20040034504A1; JP2003314345A; US6873917B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät (9) zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) einer Komponente (1) eines Kraftfahrzeugs. Während des Betriebs der Komponente (1) werden Daten in Form von schädigungsrelevanten Einflussparametern (p_r), welche die Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) der Komponente (1) beeinflussen, erfasst und abgespeichert. Zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit wird ein Belastungskollektiv als eine maßgebliche Einflussgröße zum Nachweis der Betriebsfestigkeit der Komponente (1) ermittelt. Um das Belastungskollektiv möglichst realitätsnah und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) möglichst genau ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass die Einflussparameter (p_r) während des Betriebs der Komponente (1) in einem Steuergerät (9) des Kraftfahrzeugs zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) ausgewertet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Komponente eines Kraftfahrzeugs. Während des Betriebs der Komponente werden Daten in Form von schädigungsrelevanten Einflussparametern, welche die Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponente beeinflussen, erfasst und abgespeichert.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Speicherelement für ein Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung einer mittels mindestens einer Komponente realisierbaren Kraftfahrzeugfunktion. Auf dem Speicherelement ist ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, des Steuergeräts ablauffähig ist. Als Speicherelement kann bspw. ein Read- Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory zur Anwendung kommen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung einer mittels mindestens einer Komponente realisierbaren Kraftfahrzeugfunktion. Das Steuergerät weist Mittel zum Erfassen und Abspeichern von Daten in Form von schädigungsrelevanten Einflussparametern, welche die Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponente beeinflussen, während des Betriebs der Komponente auf.

Stand der Technik

Moderne Kraftfahrzeugkomponenten, wie bspw. Kraftstoffeinspritzsysteme (Benzin Direkteinspritzung, BDE; Common Rail) und Hydraulikaggregate für Anti- Blockiersysteme (ABS), werden hinsichtlich der Materialermüdung in zunehmendem Maße nicht mehr dauerfest sondern betriebsfest ausgelegt. Die betriebsfeste Auslegung zielt darauf ab, dass die entsprechenden Komponenten ihre vorgegebene Lebensdauer sicher erfüllen, jedoch nicht dauerfest sind, d. h. eine endliche Lebensdauer besitzen. Dadurch können die Komponenten wesentlich kleiner, leichter, kostengünstiger und damit auch funktioneller (d. h. jeweils genau auf ihre Funktion und Einsatzbedingung ausgerichtet) gestaltet werden. Ein Versagen der Komponente muss sicher vermieden werden, da dies im Allgemeinen zu schwerwiegenden Sach- und Personenschäden (Fahrzeugbrand, Bremsversagen, etc.) führen kann.
Aus der DE 195 16 481 A1 ist ein Verfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art bekannt. Dort wird ein Verfahren und ein Steuergerät zum Erfassen, Speichern und Ausgeben von Einflussparametern des Steuergeräts vorgeschlagen. Die erfassten und abgespeicherten Daten können bei Bedarf, bspw. zur Beurteilung der Ausfallwahrscheinlichkeit und Zuverlässigkeit des Steuergeräts, ausgegeben werden. Die Tatsache, das die erfassten und abgespeicherten Einflussparameter erst aus dem Steuergerät ausgelesen und in eine externe Analysevorrichtung zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit eingelesen werden müssen, erlaubt jedoch lediglich eine sehr unregelmäßige und seltene Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit.
Zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit einer Komponente wird nach dem Stand der Technik folgendermaßen vorgegangen: Zunächst wird für die zu überprüfende Komponente, bzw. für die einzelnen Bauteile der Komponente, ein sog. Betriebsfestigkeitsversuch durchgeführt, in dessen Verlauf die ertragbare Belastung für die Komponente bzw. die Bauteile ermittelt wird, bis diese ausfallen. Dann wird eine sog. Wöhlerkurve zumindest für einige Bauteile der Komponente ermittelt. Die Wählerkurve ist eine Kennfunktion der Belastbarkeit eines Bauteils. Dann wird ein für den Betrieb der Komponente bzw. der Bauteile übliches sog. Belastungskollektiv ermittelt, das bei Kraftfahrzeugkomponenten bspw. x% Stadtfahrt, y% Überlandfahrt und z% Autobahnfahrt umfasst, wobei x% + y% + z% = 100% sind.
Anhand des Belastungskollektivs und der Bauteilwöhlerkurve wird nach der sog. linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner eine Kollektivschadensumme (D_Koll) ermittelt, welche ein Maß der akkumulierten Schädigung der zu überprüfenden Komponente nach einem Kollektivdurchlauf ist. Anhand der Bauteilwöhlerkurve und des Betriebsfestigkeitsversuchs wird ebenfalls nach Palmgren- Miner eine ertragbare Schadensumme (D_50%) ermittelt, welche ein Maß derjenigen Schadensumme ist, welche die Komponente bis zum Ausfall ertragen kann. Durch einen Vergleich der Kollektivschadensumme (D_Koll) und der ertragbaren Schadensumme (D_50%) im Rahmen einer Ausfallwahrscheinlichkeitsrechnung kann die Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponente ermittelt werden.
Mit anderen Worten wird also zum einen an realen Bauteilen einer Komponente über Versuche ermittelt, welche Belastung die Bauteile bzw. welche Schadensumme die Komponente bis zum Ausfall ertragen kann. Zum anderen wird während des Betriebs einer Komponente ein definiertes Belastungskollektiv durchlaufen, und dabei werden Einflussparameter erfasst. Durch Auswerten der Einflussparameter wird diejenige Schadensumme ermittelt, die für das gewählte Belastungskollektiv während des Kollektivdurchlaufs auf die Komponente wirkt.
Die Bauteile der Komponente können nun derart ausgelegt werden, dass die Kollektivschadensumme (D Koll) um einen ausreichend großen Sicherheitsfaktor unterhalb der Schadensumme (D_50%) liegt, dass also die Bauteile während eines abgeschätzten durchschnittlichen Betriebsdauer nicht ausfallen. Diese Art der Auslegung der Komponenten wird als betriebsfeste Auslegung bezeichnet.
Aufgrund des relativ begrenzten Speicherplatzes in einem Kraftfahrzeugsteuergerät können nicht beliebig viele Einflussparameter aufgezeichnet werden. Das bedeutet, dass das Belastungskollektiv sorgfältig gewählt werden muss, um trotz der geringen Anzahl an aufgezeichneten Einflussparametern doch ein zuverlässiges Abbild der realen Betriebsbedingungen der Komponente zu liefern.
Nach dem Stand der Technik erfolgt der Nachweis der Betriebsfestigkeit im Produktentstehungsprozess. Eine übliche Vorgehensweise ist dabei das oben beschriebene Verfahren, das sog. Nennspannungskonzept (vgl. Haibach, E.: Betriebsfestigkeit, Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung, Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH (1989), ISBN 3-18-400828-2, Kap. 3.2 Lebensdauerberechnung anhand der Nennspannung). Das Nennspannungskonzept erfordert den Bauteilwöhlerversuch (Einstufenversuch) (vgl. Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. . ., a. a. O., Kap. 2.1 Wöhler-Versuche), den Betriebsfestigkeitsversuch (Mehrstufenversuch) (vgl. Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. . ., a. a. O., Kap. 2.2.1 Betriebsbeanspruchung und Beanspruchungskollektiv), und die Lastkollektivmessung, bei der die schädigungsrelevanten Parameter im praktischen Einsatz ermittelt werden. Aus dem Bauteilwöhlerversuch und dem Belastungskollektiv wird über die Miner-Regel (vgl. Miner, M. A.: Cumulative Damage in Fatigue, J. Appl. Mech. 12 (1945), S. 159-164 und Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. . ., a. a. O., Kap. 3.2 Lebensdauerberechnung anhand der Nennspannung) die Kollektivschadensumme (D_Koll) in einem definierten Auslegungspunkt (d. h. Lebensdauerziel, z. B. Wegstrecke, Schaltzyklen, Betriebszeit, etc.) berechnet. Außerdem wird die ertragbare Schadensumme (D_50%), die zum Ausfall der Komponente führt, durch einen Betriebsfestigkeitsversuch ermittelt. Im Rahmen des Betriebsfestigkeitsversuchs wird das Bauteil durch ein typisches Kollektiv bis zum Ausfall belastet. Durch den Vergleich von D_50% und D_Koll wird ermittelt, ob eine sichere Auslegung der Bauteile bzw. der Komponente vorliegt.
Eine maßgebliche Einflussgröße des bekannten Verfahrens zum Nachweis der Betriebsfestigkeit stellt das Belastungskollektiv dar, welches benutzerspezifisch ist und im wesentlichen von folgenden Einflussparametern abhängt:

- individuelle Gebrauchsgewohnheiten;
- Art und Parameter einer Steuerung/Regelung einer mittels der Komponente realisierbaren Funktion;
- Messunsicherheiten von Sensoren zur Steuerung/Regelung der Funktion; und
- konstruktive Charakteristika.

Am Beispiel eines Kraftstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sind dies insbesondere:

- applikationstypische Kennfelder;
- Auslegung eines Druckreglers zur Regelung eines in dem Kraftstoffeinspritzsystems herrschenden Einspritzdrucks;
- konstruktiv bedingte dynamische Drucküberhöhungen; Sonderereignisse (Havarie);
- Messunsicherheit eines in dem Kraftstoffeinspritzsystems angeordneten Drucksensors;
- individuelle Fahrweise (sportlicher oder komfortorientierter Fahrer);
- Einsatzbedingungen des Fahrzeugs (z. B. Lieferverkehr);
- Startanzahl der Brennkraftmaschine; und
- Gesamtfahrtstrecke u. a.

Da die exakten späteren Einsatzbedingungen individuell unterschiedlich sind, müssen bei dem bekannten Verfahren für die Auslegung der Bauteile der Komponenten worst case Bedingungen für jeden Einflussparameter angenommen werden. Für die Auslegung der Bauteile muss von dem schärfsten für die betreffende Anwendung möglichen Lastkollektiv ausgegangen werden. Dies ist naturgemäß mit Unsicherheiten behaftet. Um diese sicher abzudecken, müssen einige konservative Annahmen hinsichtlich der Auslegung des Belastungskollektivs gemacht werden, was höhere Festigkeiten der Bauteile erforderlich macht. Höhere Festigkeiten können im wesentlichen nur durch höherwertige, d. h. teurere Werkstoffe, teurere Fertigungsverfahren oder konstruktiv kompliziertere Ausführungen erreicht werden. Somit führen höhere Festigkeiten zu einer Verteuerung und einer Erhöhung des Gewichts der Komponenten.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Belastungskollektiv als eine maßgebliche Einflussgröße zum Nachweis der Betriebsfestigkeit einer Komponente möglichst realitätsnah und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit möglichst genau zu ermitteln.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass die Einflussparameter während des Betriebs der Komponente in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit ausgewertet werden.

Vorteile der Erfindung

Bei der vorliegenden Erfindung werden also die schädigungsrelevanten Einflussparameter, insbesondere diejenigen Parameter, die einen Einfluss auf die Materialermüdung der Komponente haben, für jede einzelne Komponente während der gesamten Betriebsdauer erfasst. Die Einflussparameter werden während des Betriebs der Komponente in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit ausgewertet. Falls die ermittelte Ausfallwahrscheinlichkeit oder der Gradient der Ausfallwahrscheinlichkeit einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, werden geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet, um einen tatsächlichen Ausfall der Komponente zu verhindern. Die Gegenmaßnahmen reichen von einfachen akustischen oder optischen Hinweisen an den Fahrer des Kraftfahrzeugs oder Übertragung eines Hinweises an eine Servicezentrale, über einen Notlaufbetrieb der Komponente bis hin zu einer Sicherheitsabschaltung der Komponente. Zudem ist es denkbar, Informationen über das unter realen Bedingungen erfasste Belastungskollektiv bspw. mittels Telemetrie an eine Auswertezentrale zu übermitteln, wo diese Informationen bspw. zur Auslegung zukünftiger Komponenten ausgenutzt werden können. Alternativ ist auch ein Auslesen der Informationen in Servicewerkstätten und eine Übermittlung der Informationen an eine Auswertezentrale auf dem Postweg denkbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht das Belastungskollektiv immer dem realen Betrieb der Komponente, deren Ausfallwahrscheinlichkeit ermittelt werden soll. Das Belastungskollektiv muss nicht mehr - wie beim Stand der Technik - vor der Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit abgeschätzt werden. Da das Belastungskollektiv eine maßgebliche Einflussgröße zum Nachweis der Betriebsfestigkeit einer Komponente ist, kann die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Komponente mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wesentlich genauer ermittelt werden. Das wiederum erlaubt eine betriebsfeste Auslegung der Komponente zwar mit einer geringeren Festigkeit, ohne dass dies jedoch zu Einbußen bei der Zuverlässigkeit der Komponente bzw. des gesamten Kraftfahrzeugs führen würde. Eine Überdimensionierung der Komponente wird verhindert. Dadurch kann die Komponente kleiner ausgebildet werden und kann ihre Funktion besser erfüllen. Außerdem können Gewicht und Kosten der Komponente bzw. des Kraftfahrzeugs eingespart werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter durch einen Vergleich einer Kollektivschadensumme, die ein Maß für eine anhand der Einflussparameter ermittelte akkumulierte Belastung der Komponente ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter ermittelten ertragbaren Schadensumme der Komponente ermittelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kollektivschadensumme im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter anhand einer linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner in Abhängigkeit eines Belastungskollektivs, das ein Maß für eine anhand der Einflussparameter ermittelte akkumulierte Belastung der Komponente ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter ermittelten Bauteilwöhlerkurve, die ein Maß der Belastbarkeit der Komponente ist, ermittelt wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponente also nach dem sog. Nennspannungskonzept unter Berücksichtigung der ertragbaren Schadensumme (D_50%), die in einem Betriebsfestigkeitsversuch nach Palmgren-Miner ermittelt wird, ermittelt. Diesbezüglich wird auf das Fachbuch Haibach, E.: Betriebsfestigkeit, Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung, VDI Verlag GmbH (1989), S. 12- 41, S. 63-96, S. 174-189 und S. 191-225 verwiesen. Bezüglich der Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner wird auf den Artikel Miner, M. A.: Cumulative Damage in Fatigue, Journal of Applied Mechanics 12 (1945), S. 159-164 verwiesen. Auf die angegebenen Textstellen wird ausdrücklich Bezug genommen.
Vorteilhafterweise wird das Belastungskollektiv im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter in Abhängigkeit einer Beanspruchungs-Zeit-Funktion, die im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter anhand der Einflussparameter aufgenommen wird, ermittelt.
Vorzugsweise wird im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter eine Rainflow-Matrix, in der Informationen über die akkumulierte Belastung der Komponente abgelegt sind, in Abhängigkeit der Beanspruchungs-Zeit-Funktion aufgestellt. Zur Klassierung der während des Betriebs der Komponente über die Betriebszeit bzw. Lebensdauer auftretenden Belastungen wird also das sog. Rainflow-Verfahren eingesetzt. Bezüglich des Rainflow-Verfahrens wird auf Clormann, U. H., Seeger, T.: Rainflow - HCM - Ein Zählverfahren für Betriebsfestigkeitsnachweise auf werkstoffmechanischer Grundlage, Stahlbau 55 (1986), S. 65-71 verwiesen. Auf diese Textstelle wird ausdrücklich Bezug genommen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die ertragbare Schadensumme (D_50%) der Komponente anhand einer linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner in Abhängigkeit einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter ermittelten Bauteilwöhlerkurve, die ein Maß der Belastbarkeit der Komponente ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter ermittelten ertragbaren Belastung (N_50%) der Komponente ermittelt wird.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Einsatz zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit eines direkteinspritzenden Benzineinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, eines Cominon-Rail Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine oder eines Bremssystems eines Kraftfahrzeugs.
Vorteilhafterweise wird die Kollektivschadensumme und die ertragbare Schadensumme jeweils für mehrere Bauteile des Kraftstoffeinspritzsystems ermittelt, insbesondere für eine gemeinsame Speicherleiste, einen Injektorkörper, ein Gehäuse einer Hochdruckpumpe und/oder einen Zylinderkopf der Hochdruckpumpe. Dies sind diejenigen Bauteile, die einer besonders hohen Belastung während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzsystems ausgesetzt sind.
Vorzugsweise wird ein in dem Kraftstoffeinspritzsystem herrschender Einspritzdruck als ein Einflussparameter während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzsystems erfasst und abgespeichert.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Speicherelements, das für ein Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung einer mittels mindestens einer Komponente realisierbaren Kraftfahrzeugfunktion vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, des Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Speicherelement abgespeichertes Computerprogramm realisiert, so dass dieses mit dem Computerprogramm versehene Speicherelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist. Als Speicherelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein Read-Only-Memory, ein Random-Access- Memory oder ein Flash-Memory.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Steuergerät der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät Mittel zum Auswerten der Einflussparameter zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponente aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Steuergerät Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Kraftstoffzumesssystem mit einem Steuergerät zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist ein Kraftstoffzumesssystem in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Kraftstoffzumesssystem 1 umfasst einen Kraftstoffvorratsbehälter 2, aus dem eine als Elektrokraftstoffpumpe ausgebildete Vorförderpumpe 3 Kraftstoff 4 in einen Niederdruckbereich ND des Kraftstoffzumesssystems 1 fördert. Eine Hochdruckpumpe 5 fördert Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich ND in einen Hochdruckbereich HD des Kraftstoffzumesssystems 1. Der Hochdruckbereich HD umfasst neben einem Gehäuse und einem Zylinderkopf der Hochdruckpumpe 5 auch eine gemeinsame Speicherleiste 6 (sog. Common-Rail), in der Kraftstoff mit einem Einspritzdruck p_r anliegt, und Kraftstoffeinspritzventile 7 (sog. Injektoren), über die Kraftstoff aus der Speicherleiste 6 mit dem Einspritzdruck p_r in Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
In der Speicherleiste 6 ist ein Drucksensor 8 angeordnet, welcher den Einspritzdruck p_r erfasst und an ein dem Kraftstoffzumesssystem 1 zugeordnetes Steuergerät 9 leitet. Vorzugsweise wird der erfasste Druckwert p_r zunächst in einem Messumformer 10 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und ggf. verstärkt, bevor es an das Steuergerät 9 weitergeleitet wird. Außer mit dem Einspritzdruck p_r wird das Steuergerät 9 noch mit einer Vielzahl weiterer Eingangssignale 11 beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine oder des Kraftstoffzumesssystems 1 darstellen. Das Steuergerät 9 erzeugt Ausgangssignale 12, mit denen über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine bzw. des Kraftstoffzumesssystems 1 beeinflusst werden kann. Bspw. werden über die Ausgangssignale 12 die Einspritzventile 7 oder die Vorförderpumpe 3 angesteuert.
Unter anderem ist das Steuergerät 9 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen des Kraftstoffzumesssystems 1 bzw. der Brennkraftmaschine zu steuern und/oder zu regeln. Bspw. wird die von den Einspritzventilen 7 in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmasse durch Variation der Öffnungsdauer der Einspritzventile 7 von dem Steuergerät 9 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Schadstoffemission gesteuert und/oder geregelt. Ebenso kann durch Variation der Drehzahl des Elektroantriebs der Vorförderpumpe 3 deren Fördermenge eingestellt werden. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 9 mit einem Speichermedium 14, insbesondere einem Flash-Speicher, versehen, auf dem ein Steuerprogramm abgespeichert ist, das dazu geeignete ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen. Zur Ausführung des Steuerprogramms wird es entweder als ganzes oder befehlsweise an ein Rechengerät 13, insbesondere einen Mikroprozessor, des Steuergeräts 9 übertragen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf dem Speichermedium 14 zusätzlich auch ein Computerprogramm abgespeichert, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit P_A einer Komponente geeignet ist. Dazu werden der Einspritzdruck p_r oder andere Eingangssignale 11 als schädigungsrelevante Einflussparameter erfasst, abgespeichert und in dem Steuergerät 9 ausgewertet. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Ausfallwahrscheinlichkeit P_A des Kraftstoffzumesssystems 1 anhand des Einspritzdrucks p_r ermittelt. Als diejenigen Bauteile des Kraftstoffzumesssystems 1, die besonders ausfallgefährdet sind, weil sie während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems 1 einem besonders hohen Druck und damit einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sind, sind insbesondere Bauteile aus dem Hochdruckbereich HD des Kraftstoffzumesssystems 1. Vorzugsweise werden ein Gehäuse und ein Zylinderkopf der Hochdruckpumpe 5, Körper der Einspritzventile 7 und/oder die Speicherleiste 6 beobachtet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Fig. 2 nachfolgend im Detail erläutert.
Zunächst wird in einem Funktionsblock 20 anhand der über die Zeit t erfassten Druckwerte p_r eine Beanspruchungs- Zeit-Funktion δ(t) ermittelt. Die Beanspruchungs-Zeit- Funktion δ(t) ist gekennzeichnet durch die Frequenz und die Amplitude von Druckschwingungen, die während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems 1 in der Speicherleiste 6 auftreten. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Belastung des Kraftstoffzumesssystems 1 umso höher ist, desto größer die Amplitude und die Mittellage der Druckschwingungen ist. Weiterhin hat auch die Anzahl der auftretenden Druckschwingungen einen entscheidenden Einfluss auf die Belastung.
In einem Funktionsblock 21 wird die aufgenommene Beanspruchungs-Zeit-Funktion δ(t) dann anhand des sog. Rainflow-Verfahrens klassiert. Es werden mehrere Klassen für unterschiedlich hohe Belastungen definiert. Die während des Betriebs des Kraftstoffzumesssystems 1 über die Betriebszeit bzw. Lebensdauer auftretenden Belastungen werden den entsprechenden Klassen zugeordnet und klassenindividuell aufsummiert. Man erhält eine sog. Rainflow-Matrix, in der Informationen über die klassierte, akkumulierte Belastung des Kraftstoffzumesssystems 1 während des Betriebs abgelegt sind. Bezüglich des Rainflow- Verfahrens wird auf Clormann, U. H., Seeger, T.: Rainflow- HCM - Ein Zählverfahren für Betriebsfestigkeitsnachweise auf werkstoffmechanischer Grundlage, Stahlbau 55 (1986), S. 65-71 verwiesen. Auf diese Textstelle wird ausdrücklich Bezug genommen.
Die Rainflow-Matrix ist die Kennfunktion der Belastung und ist in einem Funktionsblock 22 unter Vernachlässigung der Mittellasten als sogenannte Spannenpaardarstellung dokumentiert. Dieses Belastungskollektiv entspricht dem realen Betrieb des Kraftstoffzumesssystems 1, da es anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen, tatsächlich auftretenden Einspritzdruckwerte ermittelt wurde.
Im Vorfeld der Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit P_A des Kraftstoffzumesssystems 1 werden im Rahmen eines (praktischen) Bauteilwöhlerversuchs (Einstufenversuch) (vgl. Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. . ., a. a. O., Kap. 2.1 Wöhler-Versuche) in einem Funktionsblock 23 Wöhlerkurven N(δ) für sämtliche Bauteile des Kraftstoffzumesssystems 1, welche während des Betriebs besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, ermittelt. Diese Bauteile sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Gehäuse und der Zylinderkopf der Hochdruckpumpe 5, die Speicherleiste 6 und die Körper der Einspritzventile 7. Die Bauteilwöhlerkurve N(δ) ist also eine Kennfunktion der Belastbarkeit des Bauteils.
Die Darstellung der Wöhlerlinie im Steuergerät erfolgt als "Gewichtungsmatrix". Je ein Element der Gewichtungsmatrix stellt zu je einem Element der Rainflow-Matrix die Lastspielzahl für 50% Überschreitungswahrscheinlichkeit oder deren Kehrwert dar (je nach dem, welche Darstellung computertechnisch günstiger ist), wobei die Mittelspannungsempfindlichkeit der entsprechenden Common Rail-Komponente schon in die Gewichtungsmatrix mit eingerechnet ist. Die Ermittlung der Schadensumme D_koll erfolgt dann nach

wobei r die Rainflow-Matrix und g die Gewichtungsmatrix darstellt.
Die Vorteile dieser Darstellung sind:

- die rechenintensive Ermittlung der Bruchlastspielzahl für ein Element der Rainflow- Matrix aus den Wöhlerlinienparametern k, N_D und p_D50% sowie die Mittelspannungskorrektur mit M bei jeder Berechnung der Schadensumme D_koll entfällt, und
- die Gewichtungsmatrizen für Injektorkörper und Pumpengehäuse bzw. Pumpenzylinderkopf können elementweise so angepasst werden, dass sie zusammen mit der Rainflow-Matrix des Raildrucks korrekte Werte für die Schadensumme dieser Komponenten ergeben, obwohl diese Komponenten anderen Druck- Zeit-Verläufen ausgesetzt sind (Drucküberschwinger).

Ebenfalls im Vorfeld der Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit P_A des Kraftstoffzumesssystems 1 werden im Rahmen eines praktischen Betriebsfestigkeitsversuchs (Mehrstufenversuch) (vgl. Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. . ., a. a. O., Kap. 2.2.1 Betriebsbeanspruchung und Beanspruchungskollektiv) in einem Funktionsblock 24 die ertragbaren Belastungen N_50% der einzelnen Bauteile des Kraftstoffzumesssystems 1 ermittelt. Im Rahmen des Betriebsfestigkeitsversuchs werden die Bauteile durch ein typisches Kollektiv bis zum Ausfall belastet.
Anhand den im Rahmen des Betriebsfestigkeitsversuchs ermittelten ertragbaren Belastungen der Bauteile und der im Rahmen des Bauteilwöhlerversuchs ermittelten Bauteilwöhlerkurven N(δ) wird ebenfalls im Vorfeld der Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit P_A des Kraftstoffzumesssystems 1 in einem Funktionsblock 25 die ertragbare Schadensumme D_50% des Kraftstoffzumessystems 1 ermittelt. Dies erfolgt im Rahmen einer Schädigungsrechnung über die Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner (vgl. Miner, M. A.: Cumulative Damage in Fatigue, J. Appl. Mech. 12 (1945), S. 159-164 und Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. . ., a. a. O., Kap. 3.2 Lebensdauerberechnung anhand der Nennspannung). Die Schadenssumme D_50% ist diejenige Schadenssumme, bei der die Komponenten des Kraftstoffzumesssystems 1 unter Kollektivbeanspruchung versagen. Die im Vorfeld ermittelten Schadenssummen D_50% für die verschiedenen hochbeanspruchten Komponenten sind in dem Speicherelement 14 des Steuergeräts 9 abgelegt und können von dort bei Bedarf abgerufen werden.
In einem Funktionsblock 26 wird anhand des im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Belastungskollektivs und der im Rahmen der Bauteilwöhlerversuche ermittelten Bauteilwöhlerkurven N(δ) ebenfalls über die Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner (vgl. Miner, M. A.: Cumulative Damage in Fatigue, J. Appl. Mech. 12 (1945), S. 159-164 und Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. . ., a. a. O., Kap. 3.2 Lebensdauerberechnung anhand der Nennspannung) die Kollektivschadensumme D_Koll zum aktuellen Zeitpunkt berechnet.
In einem Funktionsblock 27 wird dann anhand eines Vergleichs der ertragbaren Schadensumme D_50% und der Kollektivschadensumme D_Koll die Ausfallwahrscheinlichkeit P_A ermittelt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird über die ertragbare Schadenssumme D_50% eine statistische Verteilungskurve mit einer Standardabweichung s_D gelegt und die Ausfallwahrscheinlichkeit P_A als die Fläche unterhalb der Verteilungskurve im Bereich von D = -∞ bis zu der Kollektivschadensumme D_Koll ermittelt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Belastungskollektiv in dem Funktionsblock 22 anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen, tatsächlich auftretenden Einspritzdruckwerte p_r, d. h. besonders realitätsnah, ermittelt. Da das Belastungskollektiv eine maßgebliche Einflussgröße zum Nachweis der Betriebsfestigkeit einer Komponente ist, kann die Ausfallwahrscheinlichkeit P_A mit Hilfe der vorliegenden Erfindung mit einer besonders hohen Genauigkeit ermittelt werden. Das wiederum erlaubt eine betriebsfeste Auslegung der Komponente bzw. der einzelnen Bauteile der Komponente, so dass diese zwar eine geringere Festigkeit aufweisen, ohne dass dies jedoch zu Einbußen bei der Zuverlässigkeit der Komponente bzw. des gesamten Kraftfahrzeugs führen würde. Dadurch kann die Komponente kleiner ausgebildet werden und kann ihre Funktion besser erfüllen. Außerdem können Gewicht und Kosten der Komponente bzw. des Kraftfahrzeugs eingespart werden.
Schließlich ist es besonders vorteilhaft, dass das in dem Funktionsblock 22 unter realen Bedingungen ermittelte Belastungskollektiv jederzeit zur Verfügung steht und bspw. im Rahmen des Betriebsfestigkeitsversuchs in dem Funktionsblock 24 als typisches Kollektiv zur Ermittlung der ertragbaren Belastung N_50% der Bauteile herangezogen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die ertragbare Belastung N_50% der Bauteile und damit auch die ertragbare Belastung D_50% der Komponente wesentlich genauer zu bestimmen.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) einer Komponente (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei während des Betriebs der Komponente (1) Daten in Form von schädigungsrelevanten Einflussparametern (p_r), welche die Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) der Komponente (1) beeinflussen, erfasst und abgespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflussparameter (p_r) während des Betriebs der Komponente (1) in einem Steuergerät (9) des Kraftfahrzeugs zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter (p_r) durch einen Vergleich einer Kollektivschadensumme (D_Koll), die ein Maß für eine anhand der Einflussparameter (p_r) ermittelte akkumulierte Belastung der Komponente (1) ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter (p_r) ermittelten ertragbaren Schadensumme (D_50%) der Komponente (1) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektivschadensumme (D_Koll) im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter (p_r) anhand einer linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren- Miner in Abhängigkeit eines Belastungskollektivs (N_Koll), das ein Maß für eine anhand der Einflussparameter (p_r) ermittelte akkumulierte Belastung der Komponente (1) ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter (p_r) ermittelten Bauteilwöhlerkurve (N(δ)), die ein Maß der Belastbarkeit der Komponente (1) ist, ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungskollektiv (N_Koll) im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter (p_r) in Abhängigkeit einer Beanspruchungs-Zeit-Funktion (δ(t)), die im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter (p_r) anhand der Einflussparameter (p_r) aufgenommen wird, ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Auswertung der Einflussparameter (p_r) eine Rainflow-Matrix, in der Informationen über die akkumulierte Belastung der Komponente (1) abgelegt sind, in Abhängigkeit der Beanspruchungs-Zeit-Funktion (δ(t)) aufgestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ertragbare Schadensumme (D_50%) der Komponente (1) anhand einer linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Miner in Abhängigkeit einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter (p_r) ermittelten Bauteilwöhlerkurve (N(δ)), die ein Maß der Belastbarkeit der Komponente (1) ist, und einer im Vorfeld der Auswertung der Einflussparameter (p_r) ermittelten ertragbaren Belastungen (N_50%) der Bauteile der Komponente (1) ermittelt wird.

7. Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit eines direkteinspritzenden Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common- Rail Kraftstoffeinspritzsystems (1), einer Brennkraftmaschine oder eines Bremssystems eines Kraftfahrzeugs ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektivschadensumme (D_Koll) und die ertragbare Schadensumme (D_50%) jeweils für eine gemeinsame Speicherleiste (6), einen Injektorkörper (7), ein Gehäuse einer Hochdruckpumpe (5) und/oder einen Zylinderkopf der Hochdruckpumpe (5) ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Kraftstoffeinspritzsystem (1) herrschender Einspritzdruck (p_r) als ein Einflussparameter während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzsystems (1) erfasst und abgespeichert wird.

10. Speicherelement (14), insbesondere Read-Only-Memory, Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für ein Steuergerät (9) zur Steuerung und/oder Regelung einer mittels mindestens einer Komponente (1) realisierbaren Kraftfahrzeugfunktion, auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät (13), insbesondere auf einem Mikroprozessor, des Steuergeräts (9) ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche geeignet ist.

11. Steuergerät (9) zur Steuerung und/oder Regelung einer mittels mindestens einer Komponente (1) realisierbaren Kraftfahrzeugfunktion, wobei das Steuergerät (9) Mittel zum Erfassen und Abspeichern von Daten in Form von schädigungsrelevanten Einflussparametern (p_r), welche die Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) der Komponente (1) beeinflussen, während des Betriebs der Komponente (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) Mittel zum Auswerten der Einflussparameter (p_r) zur Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit (P_A) der Komponente (1) aufweist.

12. Steuergerät (9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (9) Mittel zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 9 aufweist.