DE19829621A1 - Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Sensors in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und nach diesem Verfahren arbeitendes elektronisches Steuergerät - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Sensors in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und nach diesem Verfahren arbeitendes elektronisches Steuergerät. DOLLAR A Aus den Ausgangssignalen von Sensoren werden Referenzwerte erzeugt. Aus einer größeren Anzahl von Referenzwerten wird ein gleitender Mittelwert (Vergleichswert) berechnet. DOLLAR A Absolute Differenzwerte zwischen den Vergleichswerten und den Referenzwerten werden gebildet und in zwei parallel laufenden Diagnosealgorithmen verarbeitet. Diagnostizieren beide Algorithmen unabhängig voneinander eine Fehlfunktion der Sensoren, so wird eine Fehlerroutine eingeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funk­ tion eines Sensors in einer Brennkraftmaschine eines Kraft­ fahrzeugs und ein elektronisches Steuergerät nach dem Oberbe­ griff der unabhängigen Ansprüche 7 und 8.

Die wachsende Abhängigkeit grundlegender Funktionen in Kraft­ fahrzeugen - wie Zündung, Einspritzung und Klopfregelung - von elektronischen Steuersystemen stellt höchste Anforderun­ gen an deren Zuverlässigkeit und macht Notlaufprogramme für den Fehlerfall erforderlich. Deshalb gehört bei modernen mi­ kroprozessorgesteuerten Systemen die Eigendiagnose zur Grund­ ausstattung. Aufgabe der Eigendiagnose derartiger Steuersy­ steme ist es, Fehler zu erkennen und diagnostisch auszuwer­ ten, gefährdete Komponenten durch geeignete Notlaufprogramme zu schützen sowie eventuell Ersatzgrößen für einen Notlauf bereit zustellen und eine Fehlermeldung an den Fahrer zu über­ mitteln.

Bei Sensoren ist es üblich, aus den Sensorsignalen in einer Auswerteschaltung Referenzwerte - z. B. dem Sensorsignal pro­ portionale Spannungs- oder Stromwerte - zu bestimmen und die­ se mit Hilfe von Grenzwerten auf Plausibilität zu prüfen. Je nach Art des Sensors wird bei Über- oder Unterschreiten des Grenzwerts über mehrere Auswertezyklen hinweg eine Fehlfunk­ tion des Sensors diagnostiziert.

Für eine Klopfregelung ist ein derartiges Verfahren aus der Druckschrift DE 41 26 961 A1 bekannt. Zur Unterdrückung des Klopfens einer Brennkraftmaschine wird in einer Auswerte­ schaltung aus dem Ausgangssignal eines Klopfsensors peri­ odisch ein Motorvibrationspegel - im folgenden auch als Klopfwert bezeichnet - erzeugt. Dieser Klopfwert wird dann mit einem festgesetzten Sensorfehlerpegel verglichen. Wenn dabei der Klopfwert während einer vorbestimmten Anzahl von Auswertezyklen unterhalb des Sensorfehlerpegels bleibt, wird eine Fehlfunktion des Klopfsensors diagnostiziert und eine Zündverzögerungssteuerung durchgeführt, die das Klopfen un­ terdruckt und die Sicherheit des Motorbetriebs gewährleistet.

Derartige Verfahren zum Überwachen der Funktion von Sensoren in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs haben jedoch einen entscheidenden Nachteil. Eine Fehlererkennung ist nur dann möglich, wenn das Ausgangssignal der Auswerteschaltung (Referenzwert) im Fehlerfall außerhalb eines Plausibilitäts­ bereichs bei einwandfrei funktionierendem Sensor liegt.

Der Erfindung liegt deshalb das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, daß es ermöglicht, die Fehlfunk­ tion eines Sensors in einer Brennkraftmaschine eines Kraft­ fahrzeugs auch dann einwandfrei festzustellen, wenn die Refe­ renzwerte im Fehlerfall im Plausibilitätsbereich der Sensoren liegen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 3 und durch ein Steuerge­ rät nach den Ansprüchen 7 oder 8 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niederge­ legt.

Im Fehlerfall werden die Referenzwerte durch ein elektroni­ sches Rauschen der Auswerteschaltung bestimmt. Aufgrund der kohärenten Entstehung des elektronischen Rauschens - z. B. durch kapazitives Übersprechen hochfrequenter Steuersignale auf einem Meßkanal - ist die Bandbreite der Referenzwerte da­ bei sehr gering. Demgegenüber weisen die Sensorsignale im Normalbetrieb aufgrund der zyklischen Verbrennungsschwankun­ gen der Brennkraftmaschine und der sich ständig ändernden Be­ triebsbedingungen eine große Bandbreite auf, d. h. die Refe­ renzwerte variieren stark und weichen teilweise erheblich von einem aus vorhergehend gebildeten Referenzwerten berechneten Mittelwert ab. Zieht man dieses Merkmal für die Überwachung der Funktion der Sensoren heran, so spielt die Amplitudenhöhe der Referenzwerte keine Rolle mehr, so daß auch dann eine si­ chere Fehlererkennung gewährleistet ist, wenn die Amplituden der Referenzwerte im Fehlerfall etwa im Bereich derer im Nor­ malbetrieb liegen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden für einen Klopfsensor anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Steuergeräts für eine Klopfregelung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug,

Fig. 2 eine qualitative Darstellung der Bandbreiten der Klopfwerte im Normalbetrieb und im Fehlerfall

Fig. 3 ein Flußdiagramm einer ersten Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen der Funkti­ on eines Klopfsensors und

Fig. 4 ein Flußdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen der Funk­ tion eines Klopfsensors.

Ein oder mehrere Klopfsensoren 1 (Fig. 1) nehmen den Körper­ schall an einer geeigneten Anbaustelle am Motor 2 des Kraft­ fahrzeugs 3 - vorzugsweise direkt an den Zylindern - auf und wandeln ihn in ein elektrisches Signal, das einem elektroni­ schen Steuergerät 4 zugeführt wird. Eine Auswerteschaltung 5 im Steuergerät erzeugt eine dem Sensorsignal proportionale Ausgangsspannung (Referenzwert). Der Wert dieser Spannung wird auch als Klopfwert bezeichnet. Aus vorhergehend gebilde­ ten Klopfwerten wird ein Geräuschwert (Vergleichswert), vor­ zugsweise als gleitender Mittelwert berechnet. Der Vergleich des aktuellen Klopfwerts mit einer vom Geräuschwert abhängi­ gen Klopfschwelle führt zu der Entscheidung, ob Klopfen vor­ liegt. Eine Regelschaltung 6 beeinflußt dann über ein Stell­ glied 7 den Motor 2 so, daß das Klopfen verschwindet. Der Zündzeitpunkt ist als Stellgröße besonders geeignet, da damit ein sehr schneller Eingriff möglich ist. Beim Auftreten von Klopfen wird der Zündzeitpunkt für eine vorgegebene Anzahl von Zyklen verzögert und dann wieder allmählich dem ursprüng­ lichen Wert angenähert.

Bei einwandfrei funktionierendem Klopfsensor und klopffreiem Motorbetriebszustand ist der Klopfwert also ein Maß für das Eigengeräusch des Motors (Motorgeräusch). Moderne Motoren er­ zeugen aber zunehmend weniger Eigengeräusch, so daß die Amplituden der Klopfwerte und damit auch des Geräuschwerts bei funktionierendem Klopfsensor deutlich unterhalb derer früherer Modelle liegen. Außerdem weisen gängige Auswerte­ schaltungen die Eigenart auf, daß bei fehlendem Eingangs­ signal, also defektem Klopfsensor oder Kurzschluß gegen Bat­ terie oder Masse, ein verstärktes elektronisches Rauschen auftritt. Damit verringert sich der Abstand zwischen dem Mo­ torgeräusch und dem elektronischem Rauschen der Auswerte­ schaltung. Bei ungünstiger Konfiguration - leiser Motor und stark rauschende Auswerteschaltung - kann somit die Amplitude des Klopfwerts im Fehlerfall im Bereich des Motorgeräusches liegen, so daß eine Fehlerdiagnose durch Vergleich mit einem Plausibilitäts-Grenzwert nicht mehr möglich ist.

Fig. 2 zeigt die Amplitudenverteilungen der Klopfwerte im Normalbetrieb (Kurve 2a) und im Fehlerfall (Kurve 2b). Wäh­ rend im Normalbetrieb das breite Amplitudenspektrum des Mo­ torgeräusches des Kraftfahrzeugs erfaßt wird, zeigt sich im Fehlerfall nur das schmale Spektrum des elektronischen Rau­ schens der Auswerteschaltung.

Anhand des Flußdiagramms von Fig. 3 wird nun eine erste Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die es erlaubt, die Funktion von Klopfsensoren unabhängig von der Amplitudenhöhe, dafür aber abhängig von der Bandbreite der Klopfwerte zu überwachen. Zunächst wird in einem Schritt F31 ein aktueller Klopfwert KW bestimmt. In einem Schritt F32 wird ein absoluter Differenzwert DW zwischen dem aktuellen Klopfwert KW und dem Geräuschwert GW berechnet.

GW = |KW-GW|.

Dieser absolute Differenzwert wird dann in einem Schritt F33 mit einem vorgegebenen Amplitudenschwellwert, z. B. 80 mV, verglichen. Dieser Schwellwert wird abhängig von der Band­ breite der Klopfwerte im Fehlerfall festgelegt. Vorteilhaft kann der Amplitudenschwellwert zusätzlich auch abhängig von der Motordrehzahl festgelegt werden.

Liegt der absolute Differenzwert unterhalb des Amplituden­ schwellwerts, so wird in einem Schritt F34 ein Fehlerzähler um einen konstanten Wert, vorzugsweise um 1 inkrementiert. Liegt der absolute Differenzwert aber über dem Amplituden­ schwellwert, so wird der Fehlerzähler in einem Schritt F35 zurückgesetzt, d. h. entweder wieder auf 0 gesetzt oder um ei­ nen vorgegebenen Wert dekrementiert. In einem Schritt F36 wird dann der Zählwert des Fehlerzählers mit einem vorgegebe­ nen Zählerschwellwert, z. B. 150, verglichen. Liegt der Zähl­ wert dabei unterhalb des Zählerschwellwerts, so wird der Überwachungsalgorithmus bis zum Beginn eines neuen Auswerte­ zyklus in einen Wartezustand versetzt. Überschreitet der Zählwert aber den Zählerschwellwert, so wird eine Fehlfunkti­ on des Klopfsensors diagnostiziert, eine Fehlermeldung an den Fahrer übermittelt - z. B. durch Aktivierung einer Warnleuch­ te - und ein Notlauf der Brennkraftmaschine gestartet. Dabei wird die Klopfregelung außer Betrieb gesetzt und der Zünd­ zeitpunkt dauerhaft auf einen klopffreien Wert eingestellt. Selbstverständlich kann diese Ausführungsform auch so abgeän­ dert werden, daß der Überwachungsalgorithmus nach Rücksetzen des' Fehlerzählers (Schritt F35) unmittelbar in den Wartezu­ stand versetzt wird, ohne den Zählwert des Fehlerzählers vor­ her mit dem Zählerschwellwert zu vergleichen (Schritt F36).

Anhand des Flußdiagramms von Fig. 4 wird nun eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Funkti­ onsüberwachung von Klopfsensoren in einer Brennkraftmaschine beschrieben. In einem Schritt F41 wird auch hier ein aktuel­ ler Klopfwert bestimmt. In einem Schritt F42 wird ein Klopf­ zähler (Signalzähler) bei jedem ankommenden Klopfwert um ei­ nen konstanten Wert, vorzugsweise um 1 inkrementiert. Der Wert dieses Zählers wird in einem Schritt F43 mit einem vor­ gegebenen Diagnoseschwellwert, z. B. 150, verglichen. Bleibt der Wert dabei unterhalb der Diagnoseschwelle, so wird in ei­ nem Schritt F44, analog zum Schritt F33 der ersten Ausfüh­ rungsform, ein absoluter Differenzwert aus dem aktuellen Klopfwert und dem Geräuschwert gebildet.

In einem Schritt F45 werden diese absoluten Differenzwerte mit Hilfe eines Integrationsalgorithmus akkumuliert, bei­ spielsweise einfach aufsummiert. Der akkumulierte Differenz­ wert wird anschließend in einem Schritt F46 mit einem vorge­ gebenen Rücksetzwert, z. B. 8 V, verglichen. Dieser Rücksetz­ wert wird abhängig von der Bandbreite der Klopfwerte im Feh­ lerfall festgelegt. Wird dieser Rücksetzwert nicht erreicht, so wird der Überwachungsalgorithmus bis zum Beginn eines neu­ en Auswertezyklus in einen Wartezustand versetzt. Andernfalls werden sowohl der Akkumulator als auch der Klopfzähler zu­ nächst in einem Schritt F47 zurückgesetzt, d. h. entweder wie­ der auf 0 gesetzt oder um einen vorgegebenen Wert dekremen­ tiert, und erst anschließend wird der Überwachungsalgorithmus in den Wartezustand versetzt. Erreicht aber der Wert des Klopfzählers in dem in Schritt F43 durchgeführten Vergleich den Diagnoseschwellwert, so wird eine Fehlfunktion des Sen­ sors diagnostiziert und analog zur ersten Ausführungsform ei­ ne Fehlermeldung an den Fahrer übermittelt und ein Notlauf der Brennkraftmaschine gestartet. Die Abfrage, des Wertes des Klopfzählers (Schritt F43) kann alternativ zur beschriebenen Ausführungsform selbstverständlich auch nach der Abfrage des akkumulierten Differenzwertes (Schritte F46 und F47) erfol­ gen.

Ist der Klopfsensor nur einem einzigen Zylinder der Brenn­ kraftmaschine zugeordnet, so wird nur bei jeder zweiten Kur­ belwellenumdrehung - im folgenden auch Motorzyklus genannt - ein Klopfwert erfaßt. Durch Anbau des Klopfsensors an einer geeigneten Stelle am Motorblock, z. B. zwischen den Zylindern, ist es möglich, mit einem Sensor den Körperschall mehrerer unabhängiger Zylinder aufzunehmen. Auf diese Weise werden pro Motorzyklus auch mehrere Klopfwerte erfaßt, so daß sich die benötigte Diagnose zeit bei unveränderten Schwellwerten redu­ ziert. Zusätzlich kann bei der ersten Ausführungsform die Wahrscheinlichkeit irrtümlich diagnostizierter Sensorfehler dadurch verringert werden, daß der Fehlerzähler nur dann in­ krementiert wird (Schritt F34), wenn die Klopfwerte unter­ schiedlicher Zylinder auf eine Fehlfunktion hindeuten, d. h. mehrere aufeinanderfolgende Differenzwerte unterhalb der Amplitudenschwelle liegen.

Bei beiden Ausführungsformen hängt die Diagnose einer Sensor­ fehlfunktion nicht von der Zeit, sondern von der Anzahl durchlaufener Motorzyklen ab. Das hat den Vorteil, daß die Anzahl der zur Diagnose herangezogenen Klopfwerte unabhängig ist von der Drehzahl des Motors.

Es besteht auch die Möglichkeit, bei Diagnose einer Fehlfunk­ tion des Klopfsensors einen zusätzlichen Entprellzähler zu starten und die Übermittlung der Fehlermeldung und den Not­ lauf erst dann einzuleiten, wenn der Wert des Entprellzählers einen vorgegebenen Schwellwert, z. B. 5, überschreitet.

Die Robustheit des Systems kann durch geeignete Verknüpfung beider Ausführungsformen innerhalb eines Steuergerätes deut­ lich erhöht werden. Dabei wird der Fehler erst dann dem Fah­ rer gemeldet und der Notlauf der Brennkraftmaschine gestar­ tet, wenn von beiden Algorithmen unabhängig voneinander eine Sensorfehlfunktion diagnostiziert wird. Die Wahrscheinlich­ keit irrtümlich diagnostizierter Fehler wird dadurch erheb­ lich verringert.

Die Erfindung wurde beispielhaft für eine Klopfregelung be­ schrieben, es sei aber darauf hingewiesen, daß entsprechende Verfahren auch für andere Sensoren - vorzugsweise solche mit großer Dynamik im Ausgangssignal, wie z. B. Luftmassenmesser oder Magnetlagesensoren für den Ventiltrieb - in einer Brenn­ kraftmaschine eines Kraftfahrzeugs anwendbar sind.

Claims (8)

1. Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Sensors (1) in Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs (3), bei dem

• - aus Sensorsignalen in einer Auswerteschaltung (5) Referenz­ werte gebildet werden,
• - aus vorhergehend gebildeten Referenzwerten Vergleichswerte berechnet werden,
• - absolute Differenzwerte zwischen den Referenzwerten und den Vergleichswerten berechnet werden,
• - ein Fehlerzähler inkrementiert wird, wenn eine vorgegebene Anzahl absoluter Differenzwerte unterhalb eines vorgegebe­ nen Fehlerschwellwerts liegen,
• - der Fehlerzähler zurückgesetzt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl absoluter Differenzwerte überhalb des Fehlerschwell­ werts liegen, und
• - eine Fehlfunktion des Sensors (1) diagnostiziert wird, wenn der Fehlerzähler einen vorgegebenen Zählerschwellwert über­ schreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerschwellwert abhängig von der Motordrehzahl der Brenn­ kraftmaschine (2) und von der Bandbreite der Amplitudenwerte eines im Fehlerfall auftretenden elektronischen Rauschens der Auswerteschaltung (5) festgelegt wird.

3. Verfahren zum Überwachen der Funktion eines Sensors (1) in einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs (3), bei dem

• - aus Sensorsignalen in einer Auswerteschaltung (5) Referenz­ werte gebildet werden,
• - aus vorhergehend gebildeten Referenzwerten Vergleichswerte berechnet werden,
• - absolute Differenzwerte zwischen den Referenzwerten und den Vergleichswerten berechnet werden,
• - die absoluten Differenzwerte mit Hilfe eines Integrati­ onsalgorithmus akkumuliert werden,
• - der Wert eines Signalzählers bei jedem neuen Referenzwert inkrementiert wird,
• - der akkumulierte Differenzwert und der Wert des Signalzäh­ lers zurückgesetzt werden, wenn der akkumulierte Differenz­ wert einen vorgegebenen Rücksetzwert überschreitet, und
• - eine Fehlfunktion des Sensors (1) diagnostiziert wird, wenn der Wert des Signalzählers einen vorgegebenen Diagnose­ schwellwert überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücksetzwert abhängig von der Bandbreite der Amplitudenwerte eines im Fehlerfall auftretenden elektronischen Rauschens der Auswerteschaltung (5) festgelegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert als gleitender Mittel­ wert aus vorhergehenden Referenzwerten berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Diagnose einer Fehlfunktion des Sen­ sors (1) eine Fehlermeldung an den Fahrer übermittelt wird und ein Notlauf der Brennkraftmaschine gestartet wird.

7. Elektronisches Steuergerät (4) für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) eine Einrichtung aufweist, durch die eine Funktionsdiagnose des Sensors (1) gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.

8. Elektronisches Steuergerät (4) für die Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) eine Einrichtung aufweist, durch die eine Funktionsdiagnose des Sensors (1) nach den Verfahren nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 3 und nach Anspruch 4 parallel durch­ geführt wird und bei übereinstimmender Diagnose einer Fehl­ funktion des Sensors (1) eine Fehlermeldung an den Fahrer übermittelt und ein Notlauf der Brennkraftmaschine gestartet wird.