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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Diagnose einer Lambda-Sonde.
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In einigen Märkten ist die Diagnose der Lambda-Sonde
bereits gesetzliche Vorschrift. Üblicherweise
wird, um die Funktionstüchtigkeit
der Lambda-Sonde zu beurteilen, das dynamische Verhalten der Sonde
bei einem Wechsel von einem zu fetten zu einem zu mageren Gemisch,
bzw. umgekehrt, benutzt. Ein Problem ist dabei, daß die Gemischzusammensetzung
im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine sehr starken Störeinflüssen unterliegt,
was zu entsprechend schlechten Signalbildern bei Lambda-Sonden,
die als Sauerstoffdetektoren aufgebaut sind, führt.
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Es ist deshalb wünschenswert, das Sondensignal
nicht direkt für
die Diagnose zu verwenden, sondern die repräsentativen Signalanteile zu
extrahieren, um auf diese Weise ein zuverlässige Aussage machen zu können.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Spannung
des Sondenausgangssignales gemessen wird, und eine obere und eine
untere Schwellspannung definiert wird. Es wird jeweils die Zeitdauer
erfaßt,
die das Sondensignal braucht, um von der unteren Schwellspannung
zur oberen Schwellspannung zu gelangen und umgekehrt. Diese Zeitdauer
wird gemittelt, wobei üblicherweise
kein arithmetisches Mittel verwendet wird, sondern eine gewisse
Wichtung erfolgt. Die aktuelle Zeitdauer eines Durchgangs vom oberen
Schwellspannungswert zum unteren – bzw. umgekehrt – wird von
dem Mittelwert abgezogen, und abhängig davon, ob der Absolutbetrag
dieser Differenz innerhalb eines Toleranzbereiches liegt oder nicht,
werden entsprechende Zähler
gesetzt, deren Inhalt anschließend
die Aussage ermöglicht, ob
genügend
statistisch sichere Ereignisse bereits stattgefunden haben, um eine
Aussage machen zu können.
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Es werden also aus dem Sondensignal,
das keinen idealen Sinusverlauf liefert, die Signalteile, die nicht
das typische dynamische Sondenverhalten charakterisieren, herausgefiltert,
da sie oberhalb oder unterhalb des Schwellwertes liegen. Die Schwellen
werden so gelegt, daß sie
unterhalb des oberen Ausgangsspannungswertes, der bei einer Lambda-Sonde
bei zu fettem Gemisch bei ca. 800 mV liegt, und zwischen dem unteren
Wert, der bei magerem Gemisch etwa bei 50 mV liegt, angeordnet sind.
Auf diese Weise werden die Signaltäler und die Signalberge abgeschnitten,
und nur noch die Flankensteilheit zwischen den beiden Schwellen
wird für die
Auswertung herangezogen.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Zu einer zuverlässigen Aussage, ob eine statistisch
sichere Aussage zur Lambda-Sonden-Diagnose möglich ist, sind zwei Zähler vorgesehen,
die jeweils ansprechen, wenn die Zeit, in der das Spannungssignal
von der einen Schwellspannung zur anderen gelangt ist, innerhalb
eines gewissen Toleranzbereiches liegt. Der eine Zähler ist
der "Gutzähler", der
andere der "Schlechtzähler".
Liegt die Steilheit des Sondenflankensignales innerhalb des Toleranzbereiches,
werden sowohl der Gutzähler
als auch der Schlechtzähler
in seiner Zählrate
um 1 erhöht,
liegt die Flankensteilheit außerhalb
des Toleranzbereiches, bleibt der Gutzähler auf seinem Zählstand
stehen, während
der Schlechtzähler
wieder um Zählrate t
nach unten gesetzt wird.
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Zum Start des Systems wird ein fester
Vorgabewert für
den Mittelwert angesetzt, der natürlich im weiteren Verlauf des
Verfahrens korrigiert wird, der aber notwendig ist, damit das System überhaupt
feste Werte hat, von denen es die ersten Werte fortschreiben kann.
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In weiterer Ausgestaltung wird, um
die Sicherheit der Voraussagen zu erhöhen, der Verlauf den Sondensignals
zwischen den beiden Schwellspannungen überwacht und geprüft, ob das
Sondensignal monoton steigt bzw. monoton fällt, das Signal also keine
Kehrpunkt aufweist. Sondensignale mit Kehrpunkten werden aussortiert
und für
die weitere Auswertung nicht herangezogen.
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Tritt eine unmittelbare Folge von
Flankensteilheiten außerhalb
des Toleranzbereiches hintereinander auf, muß davon ausgegangen werden,
daß die Arbeitsfähigkeit
der Sonde eingeschränkt
ist, die bisher ermittelten statistischen Werte werden damit gelöscht und
das System wird neu gestartet. Ansonsten ist durch den Schlechtzähler sichergestellt,
daß nach einer
größeren Anzahl
von Flankensteilheiten außerhalb
des Toleranzbereichs das System davon ausgeht, daß eine Aussage
zur Senderfunktion nicht möglich
ist.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die McBwerte der Zeitdauermessung zwischen den Schwellwerten,
die repräsentativ
für die
Flankensteilheit der Signale sind, nicht absolut übernommen,
sondern vor ihrer Weiterverarbeitung kennfeldabhängig modifiziert, indem sie beispielsweise
mit einem Wichtungsfaktor versehen werden, der insbesondere bei
höheren
Drehzahlen und niedriger Last < t
ist. Dabei können
zwei unterschiedliche Kennfelder, eines für die positive Flanke und eines
für die
negative Flanke, verwendet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
der Zeichnung detailliert beschrieben. Es zeigt:
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1 ein
Beispiel für
die Signalverläufe
und die entsprechende Auswertung; und
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2 ein
Flußdiagramm
zur Erläuterung
des Verfahrens.
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1a zeigt
als Beispiel den typischen Verlauf eines Lambda-Sonden-Signales,
das jeweils, wenn das stöchiometrische
Gleichgewicht unterschritten wird, das Gemisch also zu fett ist
und Lambda dementsprechend < 1
ist, auf einen hohen Wert ansteigt, der typischerweise bei etwa
800 mV liegt, und jedesmal, wenn das stöchiometrische Gleichgewicht
in der anderen Richtung abweicht, also durch Luftüberschuß Lambda > 1 wird, auf einen
niedrigen Wert absinkt, etwa 50 mV.
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Diese Kurve K schwankt somit zwischen zwei
Extremwerten hin und her, wobei der Verlauf kein sauberer Sinusverlauf
ist, sondern durch eine Reihe von anderen Einflußgrößen gestört ist.
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Die Gerade 11 gibt eine obere Schwellspannung
U1 an, und die Gerade f2 gibt eine unteren Schwellspannung U2 an,
die Lage der beiden Schwellspannungen U1 und U2 ist so gewählt, daß einwandfreie
Sondensignale in ihren Extremwerten jeweils die Schwellspannungen überschreiten
bzw. unterschreiten, wobei die Schwellspannungen kennfeldabhängig sein
können.
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Zur weiteren Auswertung wird die
Zeitdauer gemessen, die die steigende Sondenflanke bzw. die fallende
Sondenflanke jeweils braucht, um von der einen Schwellspannung zur
nächsten
zu gelangen. Die ersten drei Zeiträume im vorliegenden Beispiel
sind mit X1, X2 und X3 bezeichnet, und die zugehörige Kurve in 1b zeigt einen dem Zeitraum X1 zugeordneten
Wert von Y1, einen dem Zeitraum X2 zugeordneten kleineren Wert von
Y2 und einen dem Zeitwert X3 zugeordneten Wert von Y3 an.
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Aus den jeweiligen Laufzeiten des
Signals zwischen den beiden Schwellspannungen wird ein Mittelwert
ge bildet und fortlaufend aktualisiert, wobei vorzugsweise der Mittelwert
nach einem geeigneten Algorithmus vorgenommen wird.
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Es sind zwei Zähler vorgesehen, von denen der
eine ein Gutzähler
und der anderen ein Schlechtzähler
ist, die Zählrate
des Gutzählers
ist mit G bezeichnet, die Zählrate
des Schlechtzählers
mit B.
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Liegt nun ein Wert, wie im vorliegenden
Fall der Wert Y1, innerhalb des Toleranzbereiches, wird sowohl der
Gutzähler
als auch der Schlechtzähler
in seiner Zählrate
um 1 erhöht,
wie aus der 1c zu ersehen
ist. Der Wert Y2 in der 1b,
der einem extrem schnellen Sondensignalabfall entspricht, liegt außerhalb
des Toleranzbereiches, dementsprechend bleibt der Gutzähler auf
seinem vorher erreichten Wert stehen, während beim Schlechtzähler der
Wert wiederum um 1 reduziert wird.
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Eine Gerade ist eingezogen bei einer
Zählrate
von n = 50, dies gibt eine Mindestanzahl an, die der Gutzähler überschritten
haben muß,
damit eine ausreichende statistische Sicherheit gegeben ist, um
die Entscheidung zu fällen,
ob die Diagnose der Lambda-Sonde aufgrund der vorliegenden Meßwert möglich ist
oder nicht.
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2 zeigt
ein Flußdiagramm,
anhand dessen der Verfahrensablauf erläutert werden soll. Das Sondensignal
wird einer Zeitmessung zwischen den Spannungsschwellen zugeführt, es
wird also die Flankensteilheit des Sondensignales gemessen und ein
entsprechender Wert, der die Zeit repräsentiert, erzeugt.
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Anschließend findet eine Sicherheitsabfrage statt,
ob der aktuelle Mittelwert, der aus diesen Zeitwerten gebildet ist,
größer 0 ist,
denn wenn er gleich 0 liegt, ist eine Inkonsistenz des Systems vorhanden und
das System muß neu
gestartet werden. Solange die Startprozedur läuft, kann vom System der aktuelle
Mittelwert auf 0 gesetzt sein.
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Im nächsten Verfahrensschritt wird
die Differenz gebildet zwischen dem aktuellen Mittelwert und der
Antwortzeit, also der Zeitmessung, die das Signal gebraucht hat,
um von der einen Spannungsschwelle zur anderen zu gelangen.
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Wenn der Absolutbetrag dieser Differenz
innerhalb der vom System vorgegebenen zulässigen Toleranzschwellen liegt,
werden zwei Zähler
jeweils um einen Schritt erhöht,
ein sogenannter Gutzähler, der
jeweils nur dann seinen Zählwert ändert, wenn das
Ereignis innerhalb der Toleranzschwelle gelegen hat, und ein sogenannter
Schlechtzähler,
der bei jedem Ereignis seinen Wert ändert, und zwar um + 1, wenn
die Differenz innerhalb der Toleranzschwellen gelegen hat, und um – 1, wenn
die Differenz außerhalb
der Toleranzschwellen gelegen hat.
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Im weiteren Verlauf findet, wenn
der Wert innerhalb der zulässigen
Toleranz gelegen hat, eine neue Mittelwertbildung statt, um diesen
Mittelwert zu aktualisieren. Die Mittelwertbildung findet, beispielsweise über einen
Tiefpaß,
gewichtet statt, in bevorzugter Weise wird der alte Mittelwert mit
einem Faktor 0,9 und der neue mit einem Faktor 0,1 gewichtet, bevor
die Werte aufaddiert werden.
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Sobald die Zählrate in dem Gutzähler einen bestimmten
Wert überschritten
hat, wie in 1 zu erkennen
ist, ist im aktuellen Beispiel ein Wert von n = 50 gewählt, ist
das System ausreichend aussagekräftig,
um bei neuen McBwerten der Lambda-Sonde eine Aussage machen zu können, ob
diese Werte auf eine intakte Lambda-Sonde schließen lassen oder nicht.
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Lag das aktuelle Sondensignal in
dem Maß seiner
Flankensteilheit außerhalb
der zulässigen
Toleranz, wird, wie bereits oben erwähnt, der Schlechtzähler um
einen Zählpunkt
herabgesetzt. Solange der Schlechtzähler dabei einen Wert > 0 beibehält, wird
direkt zum nächsten
Ereignis gegangen und das nächsten
Sondensignal aufgenommen.
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Zum nächsten Ereignis wird auch ohne
Aussage, ob die statistische Sicherheit erreicht ist, gegangen,
wenn der Gutzähler
seine Mindestanzahl noch nicht erreicht hat, da dann die Aussage
noch nicht mit genügend
Absicherung erfolgen kann.
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Hat jedoch der Schlechtzähler einen
Zählinhalt
erreicht, der unter 0 liegt, liegt ein Fehler im System vor, eine
Aussage über
die Lambda-Sonde ist nicht möglich,
und das System wird neu gestartet.
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Zum Neustart wird, wie auch beim
Erststart des Systems, ein angenommener Startwert als Mittelwert
vorgegeben, der einigermaßen
plausibel ist, und aufgrund dieses Vorgabewertes kann das System
zu arbeiten anfangen. Der vorgegebene Mittelwert wird schnell korrigiert
durch die laufende Mittelwertanpassung.
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Zu dieser Startwertvorgabe kann alternativ eine
definierte Anzahl von Werten eingelesen werden und dann ein erster
Mittelwert gebildet werden, der dem weiteren Verfahren zugrundegelegt
wird. Solange der Mittelwert noch nicht während der Startphase gebildet
ist, ist der aktuelle Mittelwert gleich 0.
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Um Wendepunkte innerhalb der Signalflanken
zu erfassen, wird die Monotonie der Steigung der Flanke zwischen
den beiden Schwellspannwerten U1 und U2 überwacht. Wie in 1a zu sehen ist, ist die mit X bezeichnete
Stelle der Kurve ein Beispiel für einen
Kurvenabschnitt, der bei dieser Überwachung wieder
ausgesondert wird und nicht zur weiteren Auswertung herangezogen
wird.
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Wenn innerhalb des Systems eine Mehrzahl von
Werten in Reihe auftreten, die außerhalb des Toleranzbereiches
liegen und deshalb als ungeeignet interpretiert werden, wird ein
Neustart des Systems durchgeführt,
da es sich dann wahrscheinlich um einen tatsächlichen Fehler der Sonden
handelt.
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Zudem kann eine Mindestanzahl von
Sondensteigungen (getrennt nach steigend und fallend) vorgegeben
werden, die erreicht sein muß,
damit überhaupt
die erste Entscheidung des Systems gefällt werden kann. Auf diese
Weise wird sichergestellt, daß nicht
auf einer zu geringen statistischen Basis bereits eine Diagnose
der LambdaSonde durchgeführt
wird.
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Zur besseren Anpassung können einem Kennfeld
Multiplikationsfaktoren entnommen werden. Damit gehen insbesondere
bei der positiven Flanke die Werte mit niedriger Drehzahl nicht
in dem Umfang in die Mittelwertbildung ein wie die Werte mit höherer Drehzahl,
und auch die Werte mit geringer Lastanforderung werden weniger stark
gewichtet.
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Bei der negativen Flanke hat es sich
ebenfalls als sinnvoll erwiesen, Werte mit hoher Drehzahl und hoher
Lastanforderung weniger stark zu wichten, ebenso hohe Drehzahl bei
niedriger Lastanforderung. Die dazwischenliegenden Werte sollen
dementsprechend stärker
zur Mittelwertbildung herangezogen werden.