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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen
des Betriebszustandes eines steuerbaren Ventils, das zum Regeln
des Durchflusses eines Fluids oder eines gasförmigen Mediums eingebaut ist.
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Zyklisch
betätigte
oder oszillierende Ventile zum Regeln des Durchflusses eines Fluids
oder eines gasförmigen
Mediums werden für
viele verschiedene Anwendungen benutzt. Zum Sicherstellen eines
einwandfreien Betriebs einer Vorrichtung oder eines Prozesses ist
es wünschenswert,
die mechanische Funktion solcher Ventile zu überwachen. Durch Überwachen
des Ventils oder der Ventile ist es möglich, das Auftreten von Betriebsstörungen und/oder
Emissionen zu begrenzen oder zu verhindern, die durch Ventilstörungen verursacht
werden.
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Gewöhnlich sind
Fahrzeuge mit einem Absaugsystem ausgerüstet, um zu verhindern, dass
in einem Kraftstofftank verdampfter Kraftstoff in die Atmosphäre abgelassen
wird. Stattdessen wird der verdampfte Kraftstoff in einem Behälter absorbiert,
der Aktivkohle enthält.
Dieser Behälter
ist in einer Leitung angeordnet, die den Kraftstofftank und das
Saugrohr des Motors verbindet. Der durch den Behälter über einen Zeitraum absorbierte
Kraftstoff wird über
ein steuerbares Absaugventil zum Motor freigegeben. Wenn das Absaugventil geöffnet wird,
strömt
Umgebungsluft durch den Behälter
und saugt Kraftstoffdampf in den Motor. Die Strömungsrichtung und die Durchflussmenge
werden durch die Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck
der Umgebungsluft und dem Saugrohr des Motors bestimmt. Daher ist
das Absaugventil derart gestaltet, dass es nur öffnet, wenn die Druckdifferenz
zwischen der Atmosphäre
und dem Saugrohr ausreicht, um eine minimale Strömung in eine vorbestimmte Richtung
zu bewirken.
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Eine
Funktionsstörung
des Absaugventils kann sowohl erhöhten Kraftstoffverbrauch und
verschlechterten Emissionswirkungsgrad des Motors verursachen als
auch erhöhte
Luftverschmutzung, wenn verdampfter Kraftstoff aus dem Tank oder
dem Behälter
entweicht.
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Die
US-Patentschrift
US 5 780 728 offenbart
eine Vorrichtung, die mit einem Drucksensor in einer Absaugleitung
ausgestattet ist. Der Sensor ist dafür eingerichtet, sowohl den
Druck in der Absaugleitung als auch im Ansaugrohr des Motors zu
messen. Das Absaugventil kann im Verhältnis zu den Drücken und
einer Anzahl weiterer Bedingungen, wie der Motorbelastung, der Drosselklappenstellung
und der Kraftstoffeinspritzimpulsdauer, gesteuert werden. Durch
Verwendung einer Anzahl verfügbarer
Signale und durch Anpassung eines vorhandenen Drucksensors zum Messen
des Absaugleitungsdrucks kann das System ohne Einführung weiterer
Sensoren geprüft
werden. Jedoch müssen
zusätzliche
Leitungen und Schaltgeräte
eingebaut werden, um den Drucksensor sowohl an die Absaugleitung
als auch das Ansaugrohr anzuschließen. Die Funktion des Absaugventils
kann nicht direkt überwacht
werden.
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Die
US-Patentschrift
US 6 082 337 offenbart
eine Vorrichtung zur Diagnose eines Absaugsystems, das sowohl im
Kraftstofftank als auch im Ansaugrohr Drucksensoren aufweist. Jedoch
ist die Vorrichtung hauptsächlich
auf eine Lecküberwachung
ausgerichtet. Das System ist mit Mitteln zur Steuerung eines elektromagnetischen
Absaugventils versehen, hat aber keine ersichtlichen Mittel zur
ständigen Überwachung
von dessen mechanischer Funktion.
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Die
US-Patentschrift
US 6 131 448 offenbart
eine Vorrichtung, die eine Diagnose des Absaugsystems durch Berechnung
des Raumvolumens des Systems durchführt, indem zwei verschiedene
relative Einschaltdauern für
das Absaugventil verwendet werden. Das Ergebnis kann zum Ermitteln
von Lecks im System verwendet werden, ist aber nicht zum Überwachen
der Funktion des Absaugventils geeignet.
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Keine
der bekannten Diagnosevorrichtungen offenbart ein Verfahren oder
eine Vorrichtung zum Überwachen
der Funktion oder zum Durchführen
von Diagnoseprüfungen
eines Ventils, wie eines Absaugventils. Dies ist erforderlich, um
eine einwandfreie Funktion sicherzustellen und dass eine Warnung
an das Steuersystem übermittelt
wird, wenn eine Funktionsstörung
auftreten sollte. Daher besteht dabei ein Bedarf an einer einfachen
und kostengünstigen
Lösung
der Aufgabe, die mechanische Funktion von oszillierenden Ventilen
oder anderen Typen steuerbarer Ventile zum Kontrollieren des Durchflusses
eines gasförmigen
Mediums oder Fluids zwischen zwei Volumina zu prüfen, wie einem Absaugventil
zum Regeln des Durchflusses von Kraftstoffdampf von einem Behälter zu
einem Ansaugrohr eines Motors, die durch die Erfindung gelöst wird.
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Die
Aufgabe des Prüfens
des Betriebszustands eines zyklisch betätigten Ventils zum Regeln des Durchflusses
eines gasförmigen
Mediums oder eines Fluids zwischen zwei Volumina wird durch ein
Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, wie sie in Anspruch 1 und
12 und deren abhängigen
Ansprüchen
beansprucht werden.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebszustands
eines zyklisch betätigten Ventils,
wobei das Ventil derart betätigt
wird, dass es einem Fluid oder einem gasförmigen Medium erlaubt, von einer
ersten Leitung zu einer zweiten Leitung auf Grund eines Druckunterschieds
zwischen den Leitungen zu fließen,
wobei das Ventil mit vorbestimmten Arbeitszyklen betätigt wird.
Eine grundlegende Ausführungsform der
Erfindung umfasst folgende Schritte:
- – Messen
von Druckoszillationen, die von dem Ventil verursacht werden, und
Erzeugung eines Ausgangssignals,
- – Durchführen einer
Frequenzanalyse des Signals, um eine berechnete Amplitude des Signals
bei einer Oszillationsfrequenz zu bestimmen,
- – Vergleichen
der Amplitude der Oszillationen mit einer für die Oszillationsfrequenz
erwarteten Amplitude,
- – Erzeugen
eines Fehlersignals, wenn die Differenz zwischen der berechneten
und der erwarteten Amplitude einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
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Das Öffnen und
Schließen
des Ventils wird durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) betriebsartgesteuert.
Der verwendete Arbeitszyklus hängt
von dem gewünschten
Durchfluss durch die Leitung ab und kann sich zwischen 0% (vollständig geschlossen)
und 100% (vollständig
geöffnet) ändern. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der Arbeitszyklus während
der Diagnose bei oder nahe 50%, wenn das Ventil während der
Hälfte
des Zyklus geöffnet
und während
des verbleibenden Zyklus geschlossen ist. Jedoch kann die Diagnose
des Ventils noch mit zufrieden stellenden Ergebnissen durchgeführt werden,
solange der Arbeitszyklus innerhalb des Bereichs von 30%–70% liegt.
Es ist möglich
die Funktion des Absaugventils außerhalb dieser Arbeitszyklen
zu überwachen,
d.h. unterhalb 30% und oberhalb 70%. Jedoch wird die Genauigkeit
solcher Messungen aufgrund des geringen Rauschabstands im Ausgangssignal
des Drucksensors herabgesetzt. Wie im Folgenden beschrieben wird,
erbringt die bevorzugte Einstellung ein genaueres Ergebnis. Die
Zyklusdauer kann sich natürlich
mit dem Typ und der Größe des Ventils ändern.
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Gemäß eine bevorzugten
Ausführungsform
wird das Abtasten des oszillierenden Drucksignals kontinuierlich
durchgeführt,
während
der Arbeitszyklus innerhalb des Intervalls von 30%–70% liegt.
Es ist entweder zulässig,
dass sich der Arbeitszyklus ändert
oder er kann auf einem im Wesentlichen festen Wert, z. B. bei oder nahe
50%, gehalten werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Abtasten intermittierend durchgeführt werden, jedes Mal wenn
der Arbeitszyklus bei oder nahe 50% ist, das bedeutet, wenn der
Arbeitszyklus in diesem Bereich verweilt oder wenn er während einer
Einstellung des Arbeitszyklus durch diesen Bereich hindurchgeht.
Wenn ein regelmäßigeres
Abtasten erforderlich ist, dann kann die elektronische Steuereinheit
angewiesen werden, den Arbeitszyklus in vorbestimmten Intervallen
auf 50% einzustellen, um das Abtasten des Drucksignals zu ermöglichen.
Der letztere Vorgang kann unabhängig
oder in Verbindung mit dem vorhergehenden intermittierenden Abtasten
durchgeführt
werden.
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Die
Frequenzanalyse zur Bestimmung der Amplitude des Signals kann eine
diskrete Fouriertransformation sein, wie:
X(k) das
Frequenzspektrum in Abhängigkeit
von k ist, wobei die gleichmäßig beabstandeten
Frequenzen durch ω
k = 2πk/N
definiert sind,
x(n) der zu transformierende Signalvektor als
Funktion des Zeitindexes n ist, und
N die Anzahl der zu transformierenden
Messwerte ist.
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Es
wird eine Funktionsstörung
des Ventils angenommen, wenn die berechnete Amplitude deutlich niedriger
als die erwartete Amplitude ist, was anzeigt, dass das Ventil mit
einer niedrigeren Frequenz oszilliert als das übertragene Steuersignal oder
in Bezug auf die erwartete Amplitude zurückbleibt. Dies könnte auch ein
Anzeichen dafür
sein, dass das Ventil im Begriff ist festzufressen. Wenn das Ventil
in einer offenen oder geschlossenen Stellung stecken geblieben ist,
gibt es für
den Drucksensor keine Druckimpulse zu ermitteln, was abhängig vom
Rauschabstand eine berechnete Amplitude bei oder nahe Null ergibt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird die erste Leitung von einem ersten Volumen mit
einem Fluid oder gasförmigen
Medium gespeist. Das Fluid oder gasförmige Medium wird dann von
der zweiten Leitung in ein zweites Volumen ausgelassen. Die Strömung zwischen
den Leitungen kann durch eine Quelle hohen Drucks im ersten Volumen
oder der ersten Leitung oder eine Quelle niedrigen Drucks in der
zweiten Leitung oder dem zweiten Volumen bewirkt werden. Die Druckquelle
kann eine Pumpe, ein Kompressor, ein Speicher oder ein anderes Mittel
sein, z.B. Anschließen
der zweiten Leitung an den Lufteinlass oder den Auslass eines Motors.
Der Drucksensor kann stromab des Ventils entweder in der zweiten
Leitung oder dem zweiten Volumen angeordnet sein. Diese Anordnung
kann sowohl für
laminare als auch turbulente Strömung
durch die Leitung oder das Volumen verwendet werden, die bzw. das
den Sensor enthält.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
kann der Drucksensor stromauf des Ventils entweder in der ersten
Leitung oder dem ersten Volumen angeordnet sein. Diese Anordnung
wird bei turbulenter Strömung funktionieren,
wird aber vorzugsweise für
laminare Strömung
durch die Leitung oder das Volumen verwendet, welche den Sensor
enthalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung saugt die erste Leitung ein gasförmiges Medium aus einem Behälter zum
Absorbieren von Dampf aus einem ersten Volumen. Dieses Volumen kann ein
Behältnis
in der Form eines Kraftstofftanks sein. Das gasförmige Medium wird anschließend in
ein zweites Volumen in der Form einer Luftansaugleitung für mindestens
einen Brennraum ausgestoßen.
In diesem Fall wird die Druckdifferenz durch Verwendung des relativ
niedrigen Drucks in der Ansaugleitung des Motors erreicht. Das Ventil
ist ein Absaugventil, das zwischen einem Behälter und der Luftansaugleitung
angeordnet ist, wodurch die Druckoszillationen durch einen vorhandenen
Sensor in der Ansaugleitung gemessen werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Überwachen des Betriebszustands
eines zyklisch betätigten
Ventils, wobei das Ventil derart betätigbar ist, dass es einem Fluid
oder einem gasförmigen
Medium erlaubt, von einer ersten Leitung zu einer zweiten Leitung
auf Grund eines Druckunterschieds zwischen den Leitungen zu fließen, wobei
das Ventil derart gestaltet ist, dass es mit vorbestimmten Arbeitszyklen
betätigt wird.
Wie zuvor dargelegt wurde, kann ein Drucksensor stromauf oder stromab
des Ventils angeordnet sein, um die durch das Öffnen und Schließen des
Ventils in der Leitung verursachten Druckoszillationen zu messen und
ein Ausgangssignal zu erzeugen. Eine elektronische Steuereinheit
ist zum Durchführen
einer Frequenzanalyse, wie einer diskreten Fouriertransformation,
des Signals eingerichtet, um eine Amplitude des Signals bei der
Oszillationsfrequenz zu berechnen. Die Steuereinheit ist ferner
derart aufgebaut, dass sie die Amplitude der Oszillationen mit einer
bekannten erwarteten Amplitude für
die Oszillationsfrequenz eines bestimmten Arbeitszyklus vergleicht.
Die elektronische Steuereinheit erzeugt ein Fehlersignal, wenn die
Differenz zwischen der berechneten und der erwarteten Amplitude
einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es,
die mechanische Funktion eines zyklisch betätigten Ventils mittels in einer
Vorrichtung vorhandener Sensoren zu überwachen. Die zuvor beschriebene
Lösung vereinfacht
sowohl die Diagnose und gewährleistet
auch eine einwandfreie Funktion des Ventils auf kostengünstige Weise,
weil ein verfügbares
Signal durch das Diagnosesystem verarbeitet wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen
Zeichnungen genauer beschrieben. Diese Zeichnungen dienen nur der
Erläuterung
und schränken
in keiner Weise den Umfang der Erfindung ein. Es zeigen:
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1 ein
Schaltschema einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, bei dem ein Drucksensor stromab des Ventils angeordnet
ist;
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2 ein
Schaltschema einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, bei dem ein Drucksensor stromauf des Ventils angeordnet
ist;
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3 ein
Schaltschema einer dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 ein
Schaltschema einer vierten Ausführungsform
der Erfindung; und
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5 ein
Diagramm, bei dem eine Amplitude über einem Arbeitszyklus aufgetragen
ist.
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1 stellt
ein Schaltschema einer ersten grundlegenden Ausführungsform der Erfindung dar,
die eine erste Leitung 1, ein elektronisch betätigtes Ventil 2 und
eine zweite Leitung 3 aufweist. Ein Fluid oder gasförmiges Medium
ist so zugeordnet, dass es jedes Mal, wenn das Ventil 2 geöffnet ist,
in die erste Leitung 1, das Ventil 2 und aus der
zweiten Leitung 3 strömt.
Das gasförmige
Medium kann ein Gas oder ein Dampf sein und wird hier im Folgenden
als „Gas" bezeichnet, während das
Fluid jede Art von strömender
Flüssigkeit
sein kann. Die Quelle des Fluids oder Gases ist ein erstes Volumen
V1, das stromauf der ersten Leitung 1 angeordnet ist, während ein
zweites Volumen V2 stromab der zweiten Leitung 3 zur Aufnahme
des Fluids oder Gases angeordnet ist. Das Ventil ist derart gestaltet,
dass es nur öffnet,
wenn der Druck P1 im ersten Volumen den Druck P2 im zweiten Volumen
V2 überschreitet.
Dies wird durch eine elektronische Steuereinheit 4 überwacht,
die das Ausgangssignal eines stromab des Ventils 2 angeordneten
Drucksensors 5 in Verbindung mit einer Anzahl bekannter
Bedingungen verwendet, die sich auf das erste und zweite Volumen
beziehen. Ein Beispiel hierfür
wird später
in Verbindung mit 3 beschrieben. Bei dem gegenwärtigen,
in 1 gezeigten Beispiel ist der Drucksensor in der
zweiten Leitung 3 angeordnet, aber kann auch in das zweite
Volumen V2 gesetzt werden. Die Druckdifferenz kann auf mehrere Weisen,
wie durch einen Kompressor oder Speicher erreicht werden, der an
das erste Volumen angeschlossen ist, oder eine Unterdruckquelle,
die mit dem zweiten Volumen verbunden ist.
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Wenn
das Ventil 2 geöffnet
werden soll, stellt die elektronische Steuereinheit zuerst sicher,
dass die Druckdifferenz ausreicht, um eine minimale Strömung in
eine vorbestimmte Richtung zu erzeugen, und wenn erforderlich, dass
eine oder mehrere vorbestimmte Bedingungen erfüllt sind. Dann sendet die elektronische Steuereinheit
ein Signal zum Ventil 2, das in diesem Fall ein Magnetventil
ist. Das Ventil bleibt offen, solange das Signal durch die elektronische
Steuereinheit übertragen
wird. Der gewünschte
Durchfluss durch das Ventil wird durch Regulieren eines Arbeitszyklus
des Ventils gesteuert. Der Arbeitszyklus kann zwischen 0% (völlig geschlossen)
und 100% (völlig
geöffnet)
gewählt
werden. Zwischen der völlig
geschlossenen und der völlig
geöffneten
Stellung wird das Ventil mit einem pulsierenden Signal versehen,
das eine vorbestimmte Zyklusdauer aufweist. Zum Beispiel wird das
Ventil bei einem 50% Arbeitszyklus mit einer Zyklusdauer von 0,2
s für 0,1
s geöffnet
und für
0,1 s geschlossen.
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Zum
Prüfen
der mechanischen Funktion des Ventils 2, das bedeutet,
ob es einwandfrei öffnet
und schließt,
führt die
elektronische Steuereinheit 4 auf der Basis des Ausgangssignals
des Drucksensors 5 eine Diagnose durch. Eine Bedingung
zum Ermöglichen
der durchzuführenden
Diagnose besteht darin, dass der Druckabfall durch das Ventil für den Sensor 5 ausreicht,
um die durch das Ventil verursachten Druckimpulse zu ermitteln.
Wenn die Diagnose des Ventils durchgeführt wird, sollte der Arbeitszyklus
vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 30%–70% liegen. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Arbeitszyklus während
der Diagnose bei oder nahe 50%, wenn das Ventil im Wesentlichen
während
des halben Zyklus geöffnet
und während
des verbleibenden Zyklus geschlossen ist. Wie im Folgenden in Verbindung
mit 5 beschrieben wird, ergibt die letztere Einstellung
ein genaueres Ergebnis.
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Der
Ausgang vom Drucksensor 5 zur elektronischen Steuereinheit
gibt den durchschnittlichen Druck in der zweiten Leitung 3 mit
einer überlagerten,
durch das pulsierende Ventil verursachten oszillierenden Druckschwankung
an. Die durch das Öffnen
und Schließen
des Ventils 2 verursachten Druckoszillationen können zum Überwachen
von dessen mechanischer Funktion benutzt werden, indem das Ausgangssignal
des Drucksensors 5 verarbeitet wird. Die elektronische
Steuereinheit 4 ist zum Durchführen einer Frequenzanalyse,
wie einer diskreten Fouriertransformation, des Signals eingerichtet,
um eine Amplitude des Signals bei der Oszillationsfrequenz zu berechnen.
Die Steuereinheit ist ferner so aufgebaut, dass sie die berechnete
Amplitude der Oszillationen mit einer bekannten, erwarteten Amplitude
der Oszillationsfrequenz eines bestimmten Arbeitszyklus vergleicht.
Die erwartete Amplitude kann zum Beispiel in die Steuereinheit programmiert
sein, basierend auf einer technischen Analyse, wie die Amplitude
aussehen soll, auf Versuchsdaten, die aus Tests des Fahrzeugs während der
Fahrzeugentwicklung entnommen sind, und/oder während des Betriebs des Fahrzeugs
auf der Strecke beim Verbraucher durch die elektronische Steuereinheit
entnommen werden. Die elektronische Steuereinheit erzeugt ein Fehlersignal,
wenn die Differenz zwischen der berechneten und der erwarteten Amplitude
einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
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Ein
Beispiel für
eine diskrete Fouriertransformation, die zum Berechnen der Amplitude
des Signals verwendet werden kann ist:
X(k) das
Frequenzspektrum in Abhängigkeit
von k ist, wobei die gleichmäßig beabstandeten
Frequenzen durch ω
k = 2πk/N
definiert sind,
x(n) der zu transformierende Signalvektor als
Funktion des Zeitindexes n ist, und
N die Anzahl der zu transformierenden
Messwerte ist.
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Es
wird eine Funktionsstörung
des Ventils angenommen, wenn die berechnete Amplitude deutlich niedriger
als die erwartete Amplitude ist, was anzeigt, dass das Ventil mit
einer niedrigeren Frequenz oszilliert als das übertragene Steuersignal oder
hinter diesem zurückbleibt.
Dies könnte
auch ein Anzeichen dafür
sein, dass das Ventil im Begriff ist festzufressen. Wenn das Ventil
in einer offenen oder geschlossenen Stellung stecken geblieben ist,
gibt es für
den Drucksensor keine Druckimpulse zu ermitteln, was abhängig vom
Rauschabstand eine Amplitude bei oder nahe Null ergibt.
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Bei
diesem und den folgenden Beispielen kann ein Fehlersignal erzeugt
werden, wenn die berechnete Amplitude „deutlich niedriger" als die erwartete
Amplitude ist. Die relativen Ausschläge der erwarteten Amplitude
und der berechneten Amplitude werden durch Festlegen einer vorbestimmten
Untergrenze für
die berechnete Amplitude ausgewählt.
Wenn die berechnete Amplitude nach einer oder mehreren Abfragen
unter diese Fehleramplitudengrenze fällt, wird die elektronische
Steuereinheit angesteuert, ein Fehlersignal zu erzeugen. Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Fehleramplitudengrenze ein konstanter Wert, den die berechnete
Amplitude überschreiten
sollte, wenn die Überwachungsbedingungen
erfüllt
sind. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist sie als Funktion des Arbeitszyklus abgestimmt, das bedeutet,
dass die Grenze mit dem Ausschlag der erwarteten Amplitude über einen
Bereich von Arbeitszyklen variieren darf. In letzterem Fall kann
die Grenze als Prozentsatz der erwarteten Amplitude gewählt werden.
Weil die Eigenschaften verschiedener Typen von Ventilen variieren
können,
kann die Grenze auf der Basis von Versuchsdaten oder im Feldversuch ausgewählt werden.
Bei beiden Ausführungsformen
kann dem System eine vorbestimmte Fehlerempfindlichkeit gegeben
werden, indem eine Fehleramplitudengrenze auf einem gewünschten
Niveau unterhalb entweder der erwarteten oder einer normalen berechneten
Amplitude ausgewählt
wird.
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Das
oben genannte Verfahren kann sowohl bei laminarer als auch bei turbulenter
Strömung
angewandt werden, wird aber vorzugsweise für turbulente Strömung verwendet,
weil die Druckoszillationen mehr vorhanden sind, wenn die Strömung turbulent
ist. Daher ist es vorteilhaft, die elektronische Steuereinheit derart zu
programmieren, dass sie das Öffnen
des Ventils zulässt,
wenn der Druckgradient zwischen Einlass und Auslass stromab des
Ventils turbulente Strömung
gewährleistet.
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Gemäß einer
in 2 dargestellten alternativen Ausführungsform
kann die Vorrichtung auch zum Überwachen
der Funktion des Ventils verwendet werden, wenn die Strömungsrichtung
entgegengesetzt zu der des obigen Beispiels ist. In diesem Fall
wäre ein
Drucksensor stromauf des zu überwachenden
Ventils angeordnet. Der Überwachungsvorgang
würde in
der gleichen Weise ablaufen, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
Jedoch ist diese Anordnung hauptsächlich für laminare Strömungsbedingungen
in der Leitung oder dem Volumen zweckmäßig, die bzw. das den Drucksensor
enthält.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
ist die Vorrichtung auf jeder Seite des Ventils mit einem Drucksensor
ausgestattet. Dies ermöglicht
es, dass die elektronische Steuereinheit die Funktion des Ventils überwacht,
wenn ein Fluid oder Gas in beide Richtungen sowohl mit laminarer
als auch turbulenter Strömung fließen darf.
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3 stellt
ein Schaltschema einer Ausführungsform
der Erfindung zur Erläuterung
eines Beispiels einer praktischen Anwendung des Diagnoseverfahrens
dar. In diesem Fall enthält
die Vorrichtung ein Kraftstoffdampfabsaugsystem für ein Fahrzeug.
Das Fahrzeug weist einen Kraftstofftank 10 auf, von dem
verdampfter Kraftstoff 11 durch eine Kraftstoffdampfleitung 12 in
einen Behälter 13 gesaugt
wird. Der Behälter 13 enthält ein absorbierendes
Material 14, wie Aktivkohle, das den verdampften Kraftstoff
absorbiert und verhindert, dass er in die Atmosphäre entweicht.
Wenn der Behälter 13 desorbiert
wird, wird ein elektronisch gesteuertes Ventil 15 geöffnet, das
den Behälter
mit der Atmosphäre
verbindet. Dies ermöglicht,
dass frische Luft durch den Behälter 13,
durch eine Reihe von Leitungen nach draußen und in ein Luftansaugrohr 16 eines
Motors 17 gesaugt wird. Diese Leitungen weisen eine erste
Leitung 18, die den Behälter
an ein elektronisch gesteuertes Ventil 19 anschließt, und
eine zweite Leitung 20 auf, die das elektronisch gesteuerte
Absaugventil 19 mit dem Luftansaugrohr 16 verbindet.
Um sicherzustellen, dass die Strömung
desorbierten Dampfes vom Behälter 13 zum
Ansaugrohr 16 gerichtet ist, ist die zweite Leitung an
eine Ansaugleitung 21 nach einem elektronisch gesteuerten
Drosselventil 22 angeschlossen. Bei einem Saugmotor liegt
der Druck stromab des Drosselventils 22 gewöhnlich unter
dem atmosphärischen
Druck, wodurch die Ansaugleitung 21 zu einer geeigneten
Unterdruckquelle wird. Die Ansaugleitung 21 ist mit einem
Drucksensor 23 ausgestattet, der ein Ausgangssignal an
eine elektronische Steuereinheit 24 zur Überwachung
des Drucks in der Ansaugleitung sendet.
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Die
elektronische Steuereinheit 24 ist derart programmiert,
dass der Behälter 13 unter
einer Anzahl vorbestimmter Bedingungen desorbiert wird. Wenn diese
Bedingungen erfüllt
sind, muss die elektronische Steuereinheit 24 zuerst überprüfen, dass
der Druck in der Ansaugleitung 21 unter einem vorbestimmten
Niveau liegt. Wenn der Druckgradient ausreicht, sendet die elektronische
Steuereinheit 24 an das Ventil 15 am Behälter 13 ein
Signal zum Öffnen
und Umgebungsluft in den Behälter
einzulassen. Gleichzeitig oder kurz bevor die elektronische Steuereinheit 24 ein
gepulstes Signal an das Absaugventil 19 sendet, wird der
Behälter 13 mit
der Quelle niedrigen Drucks verbunden, die im Krümmer 21 vorgesehen
ist. Das zum Absaugventil 19 gesendete gepulste Signal
weist eine einem gewünschten
Arbeitszyklus für
das Ventil entsprechende Frequenz auf. Der Arbeitszyklus kann zwischen
0%, wobei das Ventil geschlossen ist, und 100% schwanken, wobei
das Ventil völlig
geöffnet
ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Zyklusdauer für
ein Absaugventil typisch 0,1 s. In diesem Fall bedeutet ein Arbeitszyklus
von 30%, dass das Ventilwährend
0,03s geöffnet
ist und während
0,07 s geschlossen ist.
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Zum
Messen dieser Druckimpulse wird ein relativ schneller Sensor verwendet.
Der Krümmerluftdrucksensor,
der bei der bevorzugten Ausführungsform
benutzt wird, hat eine Anstiegszeit von 5 ms auf eine Sprungantwort,
was verglichen mit der Druckoszillation von 10 Hz schnell ist.
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Die
elektronische Steuereinheit steuert kontinuierlich den Arbeitszyklus
des Ventils abhängig
von dem gewünschten
Durchfluss desorbierten Dampfes und einer Anzahl äußerer Bedingungen.
Eine solche Bedingung ist das gemessene Kraftstoff/Luft-Verhältnis λ, das durch
einen Sensor in einer Motorabgasleitung ermittelt wird. In die Luftansaugleitung
eingelassener Kraftstoffdampf beeinflusst das Kraftstoff/Luft-Verhältnis im Zylinder,
weil es schwierig ist, die Menge oder Konzentration des in die Ansaugleitung
gelangenden Kraftstoffs vorauszusagen. Es ist wünschenswert, die Menge des
durch das Kraftstoffeinspritzsystem eingespritzten Kraftstoffs entsprechend
dem hinzugefügten
Kraftstoff auszugleichen, aber ein genaues Modell, um dieses zu erreichen,
ist derzeit nicht verfügbar.
Eine alternative Lösung
ist es, die Betätigung
des Absaugventils zu verhindern, wenn der Motor mit einem stöchiometrischen
Kraftstoff/Luft-Verhältnis λ (λ = 1) betrieben
wird. Ein Absaugen wird auch während
eines Zeitraums der Kraftstoffabschaltung der Kraftstoffeinspritzung
unterbunden. Dies erfolgt während
des Motorbremsens oder während
einer Zylinderabschaltung, wenn in einem oder mehreren Zylindern
keine Verbrennung stattfindet.
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Die
durch das Öffnen
und Schließen
des Ventils 19 verursachten Druckoszillationen können zum Überwachen
seiner mechanischen Funktion verwendet werden, indem das Ausgangssignal
des Drucksensors 23 verarbeitet wird. Die elektronische
Steuereinheit 24 ist, wie zuvor beschrieben, zur Durchführung einer
Frequenzanalyse des Signals eingerichtet, um eine Amplitude des
Signals bei der Oszillationsfrequenz zu bestimmen, wobei die Steuereinheit
ferner dafür
eingerichtet ist, die Amplitude der Oszillationen mit einer erwarteten Amplitude
der Oszillationsfrequenz eines bestimmten Arbeitszyklus zu vergleichen.
Die elektronische Steuereinheit erzeugt ein Fehlersignal, wenn die
Differenz zwischen der berechneten und der erwarteten Amplitude einen
vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Das Abtasten des Signals kann intermittierend, in regelmäßigen Intervallen
oder kontinuierlich durchgeführt
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird das Abtasten kontinuierlich durchgeführt, wenn der Arbeitszyklus
in dem Intervall 30%–70%
liegt. Der Arbeitszyklus darf entweder schwanken oder kann auf einem
im Wesentlichen festen Wert gehalten werden, z.B. bei oder nahe
50%. Eine Frequenzanalyse, wie eine diskrete Fouriertransformation,
die beim oszillierenden Drucksignal in diesem Intervall durchgeführt wird,
erbringt ein ausreichend genaues Ergebnis, um festzustellen, ob
das Absaugventil 19 mit der Frequenz des von der elektronischen
Steuereinheit 24 gesendeten Steuersignals betätigt wird.
Um den Algorithmus im Hinblick auf Schwankungen des absoluten Drucks,
die durch Verstellungen des Drosselventils 22 verursacht
werden, stabiler zu gestalten, wird das Ausgangssignal des Drucksensors
tiefpass- und hochpassgefiltert, bevor die Fouriertransformation
durchgeführt
wird. In diesem Fall wird das Tiefpassfiltern durchgeführt, um
Aliasing-Fehler im Signal zu beseitigen.
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Die
diskrete Fouriertransformation, die zur Berechnung der Amplitude
des Signals verwendet wird, lautet:
X(k) das
Frequenzspektrum in Abhängigkeit
von k ist, wobei die gleichmäßig beabstandeten
Frequenzen durch ω
k= 2πk/N
definiert sind,
x(n) der zu transformierende Signalvektor als
Funktion des Zeitindexes n ist, und
N die Anzahl der zu transformierenden
Messwerte ist.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, wird eine Funktionsstörung des Ventils angenommen,
wenn die berechnete Amplitude deutlich niedriger als die erwartete
Amplitude ist.
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Das
zuvor beschriebene Verfahren kann sowohl für laminare Strömung in
der Ansaugleitung bei Benutzung eines Sensors stromauf des Ventils,
wie in 2 dargestellt ist, als auch für turbulente oder gedrosselte
Strömung
in der Ansaugleitung verwendet werden, indem ein Sensor stromab
des Ventils benutzt wird, wie in 3 dargestellt
ist.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Absaugventilanordnung gemäß 3 ist
in 4 dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen diesen
beiden Ausführungsformen
ist die Anordnung der zweiten Leitung 20, die das Absaugventil 19 mit
der Ansaugleitung 21 verbindet. Wie am besten aus 4 ersichtlich
ist, ist die zweite Leitung unmittelbar angrenzend an den Motor 17 an
die Ansaugleitung 21 angeschlossen. Vorzugsweise wird die
zweite Leitung geteilt, um sie an jedes einzelne Saugrohr anzuschließen. Auf
diese Weise wird der Drucksensor 23 stromauf der Quelle
der Druckimpulse, d.h. des Absaugventils 19, angeordnet.
Jedoch ist die Funktion der Vorrichtung im Wesentlichen die gleiche
wie bei der in Verbindung mit 3 beschriebenen
Ausführungsform.
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Durch
Anschließen
der zweiten Leitung 20 an die Ansaugleitung oder das Ansaugrohr
sehr nahe bei den Einlassventilen des Motors 17 ist es
möglich,
eine bessere Verteilung des abgesaugten Dampfes auf die Zylinder
zu erreichen, d.h. jedem Zylinder wird die gleiche Menge Absauggas
zugeführt.
Weil diese Anordnung der zweiten Leitung eine Leitung verwendet,
die stromab des Absaugventils geteilt ist, ist die Leitung für jedes Saugrohr
mit einem getrennten Rückschlagventil
versehen. Diese Anordnung geteilter Leitungen mit Rückschlagventilen
für jedes
Saugrohr wird zur Entlüftung
von Kurbelgehäusegasen
aus dem Ölsumpf
verwendet. Das gleiche oder ein ähnliches
System kann für
die abgesaugten Dämpfe
aus dem Behälter
verwendet werden.
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Es
ist möglich
die Funktion des Absaugventils außerhalb dieser Arbeitszyklen
zu überwachen,
das heißt,
unter 30% und über
70%. Jedoch wird die Genauigkeit solcher Messungen aufgrund des
niedrigen Rauschabstands im Ausgangssignal des Drucksensors verringert.
Die Schwierigkeit mit dem Rauschen steigt, wenn der absolute Druck
in der Ansaugleitung beträchtlich
ist oder wenn der Druckabfall zwischen dem Behälter und der Ansaugleitung
ansteigt. Das Drucksignal schließt auch Rauschen von Druckschwankungen
ein, die durch Drosselverstellungen und reflektierte Druckimpulse
vom Brennraum und dem Einlassventil oder den Einlassventilen, insbesondere
bei hohen Motordrehzahlen verursacht werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird das Abtasten durchgeführt,
wenn der Arbeitszyklus bei oder nahe 50% ist. Die Grundfrequenz
der Druckoszillation hat ihre maximale Amplitude, wenn der Arbeitszyklus
um 50% ist, was das Endergebnis der Fouriertransformation genauer
werden lässt.
Dies ist in 5 dargestellt, die ein Diagramm
zeigt, in dem die Amplitude über
dem Arbeitszyklus aufgetragen ist. Theoretisch sind die Druckimpulse
einer harmonischen Oszillation ähnlich,
wenn der Arbeitszyklus nahe 50% ist und der Rauschabstand bei dieser
spezifischen Frequenz hoch ist. Wie zuvor beschrieben wurde, wird
das Ausgangssignal des Drucksensors tiefpass- und hochpassgefiltert
ehe die Fouriertransformation durchgeführt wird.
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Weil
der Arbeitszyklus abhängig
von dem gewünschten
augenblicklichen Durchfluss schwankt, während er durch die elektronische
Steuereinheit geregelt wird, kann eine konstante Überwachung
der mechanischen Funktion des Absaugventils in einem relativ engen
Bereich von Arbeitszyklen nicht immer möglich sein. Stattdessen erfolgt
das Abtasten intermittierend, so oft der schwankende Arbeitszyklus
bei oder nahe 50% ist, das heißt,
wenn der Arbeitszyklus in diesem Bereich verweilt oder wenn er während einer
Einstellung des Arbeitszyklus durch diesen Bereich hindurchgeht.
Wenn ein regelmäßigeres
Abtasten erforderlich ist, dann kann die elektronische Steuereinheit 24 veranlasst
werden, den Arbeitszyklus bei vorbestimmten Intervallen auf 50%
einzustellen, um das Abtasten des Drucksignals zu ermöglichen.
Der letztere Vorgang kann unabhängig oder
in Verbindung mit dem vorhergehenden intermittierenden Abtasten
durchgeführt
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
die auf alle vorhergehenden Ausführungsformen
anwendbar ist, kann die Frequenzanalyse zur Erzeugung einer berechneten
Amplitude des Drucksignals bei der Oszillationsfrequenz auch durch
analoges oder digitales Bandpassfiltern um die Oszillationsfrequenz
durchgeführt werden.
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Wenn
die elektronische Steuereinheit ein Fehlersignal erzeugt, dann ist
dies ein Anzeichen dafür,
dass das Absaugventil stecken geblieben ist oder nicht mit dem gewünschten
Arbeitszyklus arbeitet. Ein Anzeichen für ein stecken gebliebenes Ventil
ist die Abwesenheit von Druckoszillationen während einer Abtastfolge. Es ist
dann möglich
eine vorhandene Leckerkennungsdiagnose anzuwenden, die normalerweise
zum Erkennen eines Kraftstofftanklecks verwendet wird, um zu ermitteln,
ob das Ventil in einer geschlossenen oder einer offenen Stellung
stecken geblieben ist. Die elektronische Steuereinheit kann auch
so programmiert werden, dass sie ein erstes Fehlersignal erzeugt,
wenn die berechnete und die erwartete Amplitude beträchtlich
differieren, wie zuvor beschrieben wurde, und ein zweites Fehlersignal
erzeugt, wenn die berechnete Amplitude bei oder nahe Null ist. Das
erste Signal zeigt an, dass das Ventil fehlerhaft funktioniert,
aber zumindest noch teilweise arbeitet, während das zweite Signal anzeigt,
dass das Ventil und das Absaugsystem unbrauchbar bzw. ausgeschaltet
sind. Dies kann dafür
benutzt werden, das Diagnosesystem des Autos anzuweisen, das Ventil
häufiger zu überwachen,
wenn das erste Fehlersignal erzeugt wird, und/oder den Benutzer
zu warnen, dass eine Wartung erforderlich ist, wenn das zweite Fehlersignal
erzeugt wird.
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Abgesehen
von einer Warnung des Benutzers mittels einer Warnlampe oder Leuchtdiode
kann auch mittels eines Bordtelematiksystems im Fahrzeug ein Signal
an eine entsprechende Servicestelle gesendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es,
die mechanische Funktion eines zyklisch betätigten Ventils mittels eines
oder mehrerer in einer Vorrichtung vorhandenen bzw. vorhandener
Sensors bzw. Sensoren zu überwachen.
Die zuvor beschriebene Lösung
vereinfacht sowohl die Diagnose und gewährleistet auch, dass der Benutzer
verständigt
wird, wenn ein wesentlicher Teil des Absaugsystems für verdampften
Kraftstoff in einem Fahrzeug Anzeichen fehlerhafter Funktion zeigt
oder plötzlich
ausfällt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern
kann innerhalb des Umfangs der Ansprüche abgewandelt werden.
