CN101943069A - 用于诊断内燃机的传感器装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于诊断内燃机的传感器装置的方法，其中，将传感器装置(16)的输出信号与独立于该输出信号地预先给定的额定值进行比较，其中，额定值涉及一种周期性的特性，和其中，在该周期性的特性方面，分析传感器装置(16)的输出信号的值曲线，或分析从值曲线推导出的参量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于诊断内燃机的传感器装置的方法，其中，将传感器装置的输出信号与独立于输出信号地预先给定的额定值进行比较。
本发明还涉及一种计算机程序以及一种内燃机的控制设备。
背景技术
需要许多传感器装置用于内燃机的最佳控制，用这些传感器装置例如采集由内燃机所输送的燃烧用空气、废气或返回输送的废气的压力或物质流量。由于传感器装置的功能作用对于内燃机的可靠和低排放的运行具有很大的影响，因此必需能够诊断传感器装置的故障(Fehler)，以便在传感器装置的故障或干扰情况下可以引入相应的反应。原则上可以分别双重配备传感器装置，使得通过两个传感器装置信号的比较可以检测到传感器装置的故障。但是这是昂贵的，要求许多结构空间，并提高了汽车的重量。此外，传感器的数量的提高随之带来整个***失效概率的增加。
出于上述的原因，尝试在很大程度上舍弃冗余的传感器技术，并采用故障诊断的另外的方法。例如可以在电气层面上监控传感器装置，由此可以检测到电缆脱落或短路。
除此之外，例如通过在内燃机停机状态下比较环境压力传感器的、进气压力传感器的和排气背压传感器的信号，可以在内燃机的某些工作点上使不同的传感器装置是可信的。可以简单应用这种方式的故障检测，但是它具有时间上也有限制的监控范围的缺点。
除此之外，可以使第一传感器可信，其方式是从其它传感器的信号中建模第一传感器的期望值，并与第一传感器的实际值进行比较。但是在此情况下可能出现与标定功能的相互作用。除此之外，部分地不可能明确识别传感器***的有故障的传感器。
在开始时所述的方法中，将传感器装置的输出信号与独立于输出信号地预先给定的额定值进行比较。该方法也可称为“物理信号范围检测”。在此情况下，当脱离了针对汽车中使用的物理上有意义的值范围时，则识别了传感器装置的失效(Defekt)。可以简单应用这种故障诊断，但是迄今仅适用于检测有限制的故障景象(Fehlerbilder)。
从DE 10 2005 025 884 A1中公开了一种用于修正传感器信号的方法，其中，将传感器信号的至少一个特征参量与参考值进行比较。取决于比较结果地来修正传感器的信号。对于传感器信号的至少一个特征参量，将从传感器信号中导出的值构成为参考值。这样，在此与传感器装置的输出信号有关地预先给定参考值。
发明内容
因此本发明的任务是如下来改善开始时所述方式的方法，它允许尽可能不受限制和可靠地检测传感器装置的故障。
在开始时所述方式的方法中，根据本发明如下来解决该任务，额定值涉及一种周期性的特性，并在该周期性的特性方面分析传感器装置输出信号的值曲线或从值曲线中推导出的参量。
在从属权利要求中说明了有利的改进方案。除此之外，在以下的描述中和在附图中出现了对于本发明重要的特征，其中，这些特征不仅单个地而且也以不同的组合对于本发明都可能是重要的，即使没有再次对此明显地指明。
在本发明范围内已认识到，通常构造为活塞发动机的内燃机的不连续的工作方式对于传感器装置的输出信号有影响。因此可以分析传感器装置输出信号的周期性的特性，并与涉及同一个周期性的特性的额定值进行比较。以此方式可以可靠地检测到许多故障景象。这样例如可以识别出：传感器装置是否根本不再起作用、例如冻结了，是否存在传感器装置的放大故障或导程误差(Steigungsfehler)，是否存在传感器装置的偏移故障(Offsetfehler)，或传感器装置的动力学是否以不允许的方式已改变。
本发明方法是被动的，使得对于传感器装置的诊断不需要影响内燃机的运行。因此在很大程度上与发动机运行状态无关地给出了诊断可能性。
通过许多故障景象的可靠检测，也可以在很大程度上舍弃了传感器装置的冗余设计。
在周期性的特性上，以有利的方式涉及值曲线的幅度和/或相位特性。这些周期性的特性实现了对于传感器装置功能作用的特别好的推断。尤其是在幅度和相位特性等特性的组合中可以检测许多故障景象。
特别优选的是，将周期性的特性与至少一个取决于与内燃机运行状态的基准频率相联系。由此考虑了：由于内燃机和空气***的构造在内燃机运行时出现的振荡是确定的。因此对于相同类型的内燃机，这些振荡对于内燃机的各自的工作点是特征性的。
基准频率例如相应于用其启动和/或执行内燃机点火过程的点火频率。为了在此达到与内燃机的变化的转速的无关性，与此有关地优选采用排列分析(“发动机排列”)，而不采用原则上也可设想的关于固定时间频率的分析。
替代或附加于此地，基准频率也可以相当于内燃机的曲轴或凸轮轴的旋转频率。也由此实现了传感器装置输出信号的值曲线的特别简单的分析处理。
以有利的方式，将所述基准频率与内燃机的曲轴或凸轮轴的参考位置相联系。由此可以对于传感器装置输出信号的值曲线或所推导参量的相位特性，作出特别准确的说明。
与传感器装置的输出信号无关地预先给定的额定值可以相应于一个期望值或一个极限值。如果额定值相应于期望值，则在不允许高地偏离传感器装置值曲线的或所推导参量的周期性的特性的值时，可以得出传感器装置失效的结论。如果额定值是极限值，则在超出或低于该极限值时可以检测到故障。
额定值以有利的方式存储在内燃机的控制设备中。
按照本发明的一种实施形式，取决于内燃机运行状态地预先给定该额定值。例如可以将特性曲线或特性曲线族采用于此，其中，取决于内燃机的至少一个其它的参数地标上了额定值。
在本发明框架内将传感器装置理解为信号处理链的至少一个部分，该信号处理链从物理信号的采集延伸至在控制设备中实施监控算法。但是传感器装置优选包括至少一个压力传感器或一个物质流量传感器。替代或附加于此地，传感器装置包括至少一个在使传感器信号可信条件下用于分析处理的分析处理单元。该分析处理单元可以由内燃机的控制设备、其中的一个部分构成，或由单独的单元构成。
以计算机程序形式实现本发明方法是特别重要的，该计算机程序可以存放在电子存储介质中，并可以以此形式分配给控制内燃机的控制设备。
从参照附图所示出本发明不同实施例的以下说明中，得出了本发明的其它的优点、特征和细节。在此，在权利要求中和在说明书中所提及的特征，可以分别单个本身地或以任意的组合地是发明性的。
附图说明
以下参照附图阐述本发明的实施形式。附图中示出了：
图1内燃机、传感器装置和控制设备的示意图；
图2根据附图1的传感器装置输出信号的示范性的值曲线；
图3根据附图2的值曲线的谱图；
图4用于确定诊断信号的装置的示意视图；
图5关于诊断信号的周期性的特性变化的和关于分配给这些变化的故障景象的列表概况；
图6分配给根据附图1的传感器装置的不同信号曲线的示图，其中，传感器装置处于非失效状态下；
图7分配给根据附图1的传感器装置的不同信号曲线的示图，其中，传感器装置处于失效状态下；
图8传感器装置的其它失效状态的相应于附图7的示图；
图9传感器装置的其它失效状态的相应于附图7的示图；
图10用于确定涉及周期性的特性的额定值的特性曲线族；和
图11用于表明在具有偏移故障的传感器装置中所得出故障景象的图表。
具体实施方式
附图1中用参考符号10表示内燃机的一种实施形式。内燃机10被构造为活塞式内燃机，并具有至少一个燃烧室，其中经过燃烧用空气输送装置12给所述至少一个燃烧室供应燃烧用空气。经过排废气装置14从燃烧室排出在燃烧室中所生成的废气。
内燃机10包括传感器装置16，该传感器装置16包括用于采集燃烧用空气的压力或物质流量的传感器18。传感器18与控制设备20进行通信。优选将控制设备20同时设计用于控制内燃机10的点火装置和/或燃料喷射装置。
对于以下所述的实施例，传感器18是一种压力传感器，例如是用其来采集进气压力的传感器。
附图2中示范性地标上了进气压力关于时间轴的值曲线22。输出信号以电压信号的形式存在于在附图2中所示出的实例中。
附图3中示出了在附图2中所示出的值曲线22的谱图24。该谱图表明值曲线22具有周期性的特性。值曲线22例如在附图2中示出的半秒的时间区间中具有16个最大值。这相应于32Hz的频率。在点火频率(“ZF”)的根据附图3的谱图中，以及在多倍的点火频率ZF处，可以看到在32Hz处的相应振幅。相应的情形适用于内燃机10的曲轴的旋转频率(“KWF”)和凸轮轴的旋转频率(“NWF”)。
具有点火频率ZF的值曲线22的幅度因此特别好地适合用于分析值曲线22。还有利的是，将点火频率ZF的相位与内燃机10的曲轴的位置相联系。
附图4中示意性示出了一种用于确定诊断信号P_diag的装置。P_diag是从值曲线22中导出的参量。用根据附图4的装置可以分离出具有点火频率ZF的值曲线22的振荡分量。
附图4中所示出的装置包括可以集成到控制设备20中的信号滤波器26。借助信号滤波器26可以衰减具有较高阶的信号分量，尤其是点火频率ZF。
借助附图4中所示出的装置可以借助传感器18采集实际的压力值P_phy，并由该传感器18生成输出信号P_mess。借助信号滤波器26对该输出信号进行滤波，使得生成已滤波的信号P_flt。通过简单的减法可以从输出信号P_mess和已滤波的信号P_flt的差值中确定诊断信号P_diag。该诊断信号尤其是具有点火频率振荡及其多倍值。
附图5中以列表式概要说明了，如何可将诊断信号P_diag的幅度和相位的变化分配给有功能作用的传感器或不同的故障景象D1至D7。
在不改变的幅度A和相位P的情况下从有功能作用的传感器18出发。附图6中描绘了传感器18的该状态。在那里在时间轴上示出了确定值曲线22的所测量的信号P_mess。除此之外，示出了相应于实际施加的压力的曲线P_phy、已滤波的信号P_flt和诊断信号P_diag。
诊断信号P_diag具有74hPa的幅度A以及相对于曲轴位置KW为180的相位P。在借助附图6描绘的传感器18的完全有功能作用的状态情况下，幅度A和相位P相应于存储在控制设备20中的额定值，这些额定值也可以称作为期望值。这在附图5中由水平的双箭头表明。附图5中指向下方的箭头与幅度A或相位P的小于额定值的实际值相对应。与此对应地，指向上方的箭头与幅度A或相位P的大于额定值的实际值相对应。
当幅度A等于“零”并且不能作出对于相位P的说明时(n.a.＝不可用)，则存在在附图7中所示的故障景象D1。在那里由传感器18测量的值P_mess保持在确定的水平上。诊断信号P_diag由此如下来改变，即它具有零的幅度和因而具有不确定的相位P。可将该故障景象分配给冻结的传感器。
在附图8中所示出的故障景象D2的情况中，诊断信号P_diag具有相比额定值缩小的幅度A，和具有相应于额定值的相位P，(并且该相位P相对于附图6中所示出的相位P没有改变)。该故障景象与传感器18的太小的放大率相对应。
最后在附图9中示出了在低于额定值幅度A和超过相位P额定值时得出的故障景象D4。该故障景象D4与太缓慢反应的传感器18相对应，该传感器18稍后地进行响应和由于其惯性不能足够迅速地跟踪实际的压力值P_phy。
以相应的方式可以识别故障景象D3(传感器18的太大的放大率)，D5(传感器18的过快的响应)，D6(传感器18较快而放大率较小)和D7(传感器18较缓慢而放大率较大)。
传感器18的故障对于幅度A和相位P的特征的作用是明确的(eindeutig)。但是可能同时出现多个故障，使得在此情况下借助一个单个的频率不能说明明确的返回，并且相位信息是多含义(mehrdeutig)的。但是在此情况下，可以通过计入一个或多个其它的频率(谐波)来明确分配故障景象。
以下参照附图10和11阐述传感器18的偏移故障的识别。对于这种故障的识别，可以取决于内燃机10的工作点地确定额定值。例如可以取决于至少一个工作参数例如工作参数28地确定幅度A的额定值。工作参数28尤其是涉及内燃机10的转速。例如可以由内燃机10的每个活塞冲程的喷射量来构成其它的工作参数30。
附图10中沿着z轴标上的幅度A的额定值相应于压力振荡P_phy的幅度。
附加地，取决于传感器18的值曲线22地确定特征的(例如幅度A的)附加额定值。替代于此地，也可以将进气压力的期望的幅度作为转速、节流阀位置和进气压力平均值的函数来说明。
内燃机10例如处于调定了平均压力p_akt和第一额定值A_fz的工作点上。附图11中用32表示完全有功能作用的传感器18的特性曲线。用34表示具有偏移故障的传感器18的特性曲线。
传感器18的偏移故障可以如下来识别。参照附图10说明的第一额定值提供在附图11中水平标上的物理值P_phy。该值P_phy(除了由传感器18的传输特性决定的延迟之外)相应于没有导程误差或动力学故障的传感器18实例的被测量的值P_mess。
对于用失效传感器18所测量的压力p_err得出了如上所述的确定的附加额定值A2_fz，因为确定第二额定值A2_fz所基于的平均压力p_err偏离了物理的压力p_akt。从两个额定值A1_fz和A2_fz的差中，可以推断附图11中用36表示的偏移故障。
替代或附加于上述的分析可能性，也可以分析处理传感器装置16的输出信号的值曲线的、或从中所导出参量的以下周期性的特性：例如也可以借助另一个频率(点火频率的谐波)来执行诊断。也可以采用多个频率，例如点火频率和第一谐波，使得可以定义针对所基于的故障(传感器时间常数，传感器放大率)的明确的诊断。
在要发现的故障景象方面，按照所希望的监控的敏锐度而定地，可以选择以期望值和/或极限值的形式存放在控制设备20中的额定值。如果传感器应仅仅监控故障景象“传感器冻结了”，幅度A的一个单个的下阈值则足够。如果希望监控传感器的放大率和时间特性，必要时则需要有时取决于工作点地存储上阈值和下阈值。对于偏移故障的监控有利的是，利用振荡与内燃机工作点的依赖性，并且冗余地、也就是以多重的方式和方法确定额定值。
在以上在根据附图3的实施例上已阐述的信号处理方面，也出现了用于信号整理的其它的方法，例如在时域中的信号处理。也可以通过带通滤波器(在发动机排列中的中心频率)分离出原始信号P_mess的被关注的信号分量(点火频率，谐波)。在时域中的分析中，特征的形成(确定幅度，相位)还应跟随在分离出被关注的频率之后。出于此原因，有利的是执行在频域中的分析，因为幅度和相位的特征直接作为在景象范围中的变换结果存在于该频域中。由于只有少量的频率对于该诊断是被关注的，因此可以以有利的方式采用离散的傅里叶变换。
按照算法的构造和诊断的敏锐度而定，可以将诊断结果即故障景象的识别，例如用于为了识别失效元件的车间诊断、用于具有故障存储器(例如控制设备20)中的记录和具有合适的应用反应的说明的车上诊断、以及用于例如通过考虑在观察者结构中的变化的传感器时间常数来适配操作功能。
本发明方法实现了符合对于车上诊断的越来越严格的要求，尤其是可以不用冗余的传感器技术来执行实现正确指定失效元件的所谓的“正确定出(pinpointing)”。
Claims (12)
1.一种用于诊断内燃机(10)的传感器装置(16)的方法，其中，将该传感器装置(16)的输出信号(P_mess)与独立于该输出信号(P_mess)地预先给定的额定值进行比较，其特征在于，所述额定值涉及周期性的特性，并且在该周期性的特性方面分析该传感器装置(16)的输出信号(P_mess)的值曲线(22)或分析从所述值曲线(22)导出的参量(P_diag)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述周期性的特性包括所述值曲线(22)的、或从所述值曲线(22)导出的参量(P_diag)的幅度(A)和/或相位特性(P)。
3.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，将所述周期性的特性与至少一个取决于该内燃机(10)的运行状态的基准频率相联系。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于，所述基准频率相当于用其起动和/或执行该内燃机(10)的点火过程的点火频率。
5.按照权利要求3或4的方法，其特征在于，所述基准频率相当于该内燃机(10)的曲轴或凸轮轴的旋转频率。
6.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，将所述基准频率与该内燃机(10)的曲轴或凸轮轴的参考位置相联系。
7.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，所述额定值相应于期望值或极限值。
8.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，取决于该内燃机(10)的运行状态地预先给定所述额定值。
9.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，所述传感器装置(16)包括至少一个压力传感器(18)或一个物质流量传感器。
10.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，所述传感器装置(16)包括至少一个用于分析处理和/或使传感器信号可信的分析处理单元。
11.计算机程序，其特征在于，将它编程用于实施按照以上权利要求之一的方法。
12.内燃机(10)的控制设备(20)，其特征在于，配置所述控制设备(20)用于实施按照权利要求1至10之一的方法。
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