DE102005003591A1 - Sekundärluftdiagnose einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Sekundärluftsystems eines in einem Kraftfahrzeug angeordneten Abgassystems sowie eine Vorrichtung dazu. DOLLAR A Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erkennung von Undichtigkeiten und Störungen eines Sekundärluftsystems eines in einem Kraftfahrzeug angeordneten Abgassystems zu verbessern. DOLLAR A Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen einer Sekundärluftpumpe und einem Katalysator der Gasdruck in seinem zeitlichen Verlauf mittels eines Drucksensors erfasst wird (Block 1), dass eine Frequenzanalyse des zeitlichen Verlaufs des Gasdrucks durchgeführt wird (Block 5) und dass durch Auswertung der Frequenzanalyse ein Fehler im Sekundärluftsystem ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • Aus der DE 102 05 966 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines eine Sekundärluftpumpe umfassenden Sekundärluftsystems einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein den Sekundärluftstrom charakterisierendes Signal bestimmt wird. Dazu wird mindestens ein Signal wenigstens einer Betriebskenngröße der Sekundärluftpumpe während der Bestimmung des den Sekundärluftstroms charakterisierenden Signals bestimmt und auf einen Fehler im Sekundärluftsystem geschlossen, wenn das Signal der wenigstens einen Betriebskenngröße außerhalb eines vorgebbaren Intervalls liegt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erkennung von Undichtigkeiten und Störungen eines Sekundärluftsystems eines in einem Kraftfahrzeug angeordneten Abgassystems zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen einer Sekundärluftpumpe und einem Katalysator der Gasdruck in seinem zeitlichen Verlauf mittels eines Drucksensors erfasst wird, dass eine Frequenzanalyse des zeitlichen Verlaufs des Gasdrucks durchgeführt wird und dass durch Auswertung der Frequenzanalyse ein Fehler im Sekundärluftsystem ermittelt wird. Damit kann ein Fehler im Sekundärluftsystem allein über die Auswertung des Gasdrucks erkannt werden. Eine Erfassung und Auswertung von Betriebsgrößen des Sekundärluftsystems ist nicht notwendig.
  • Eine Frequenzanalyse löst den zeitlichen Verlauf des Gasdrucks in seine periodischen Anteile auf. Dabei ist der größte periodische Anteil der Verbrennungsprozess in den Zylindern der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges. Diese Schwingung wird von der Geometrie des Abgassystems verändert. Dazu kommt eine schwingungsdämpfende Überlagerung durch den gleichmäßigen Luftstrom der Sekundärluftzufuhr. Hinzu kommen weitere Überlagerungen durch weitere Einflussgrößen. Eine dieser weiteren Einflussgrößen kann dabei ein Leck im Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Katalysator sein. Eine Frequenzanalyse erlaubt es die verschiedenen einander überlagerten Einflussgrößen voneinander zu unterscheiden, indem sie die verschiedenen periodischen Anteile voneinander trennt. Damit kann eine Veränderung im zeitlichen Verlauf der Kurve nach erfolgter Frequenzanalyse einer sie verursachenden Einflussgröße zugeordnet werden. Da bereits kleinste Löcher oder Lecks den zeitlichen Druckverlauf verändern, ist die Vorrichtung geeignet, selbst kleinste Undichtigkeiten im Sekundärluftsystem zu erkennen.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Frequenzanalyseverfahren eine Fourieranalyse. Die Fourieranalyse ist eine genaue und sichere Methode eine Frequenzanalyse durchzuführen.
  • In einer Ausführungsform wird in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl und einem Umgebungsluftdruck ein zu betrachtender Frequenzbereich ausgewählt und der maximale Wert des Gasdrucks in diesem Frequenzbereich ermittelt. Der höchste Druckwert der Frequenzanalyse liegt im Bereich der Frequenz der Arbeitstakte des Motors und ist damit abhängig von der Motordrehzahl. Damit ist der Frequenzbereich, in dem der höchste Druckwert liegt, auf einfache Weise eingrenzbar.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens wird dieser maximale Wert des Gasdrucks mit einem Schwellwert verglichen und bei Unterschreiten des Schwellwertes ein Leck im Sekundärluftsystem erkannt. Damit ist es möglich selbst kleinste Löcher sowohl im Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Sekundärluftventil als auch zwischen Sekundärluftventil und Katalysator zu erfassen.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens wird zusätzlich ein gleitender zeitlicher Mittelwert des Gasdruckes gebildet, wird dieser Mittelwert mit einem Schwellwert verglichen und wird die Sekundärluftpumpe als fehlerhaft erkannt, wenn der Mittelwert kleiner ist als der Schwellwert.
  • Als gleitender zeitlicher Mittelwert wird ein Mittelwert über ein Zeitintervall verstanden, bei dem das Intervall bei jeder Mittelwertbildung um einen oder mehrere Messpunkte verschoben wird, sich aber mit dem vorhergegangenen Zeitintervall überlappt. Typischerweise wird im vorliegenden Fall der gleitende Mittelwert über einen Zeitraum gebildet, der einem Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine von 720° entspricht. In diesem Zeitraum haben bei einer Brennkraft maschine alle Zylinder einmal gearbeitet. Damit werden Schwankungen des Mittelwertes durch ungleiches Arbeiten der Zylinder minimiert. Der Mittelwert des Gasdruckes ist abhängig von Sekundärluft-Massendurchsatz. Ein Absinken des Gasdruckes kann als Absinken des Sekundärluft-Massendurchsatz interpretiert werden. Dies bedeutet dass die Sekundärluftpumpe nicht mehr voll arbeitet. Es kann also ein Schwellenwert festgelegt werden unterhalb dessen die Sekundärluftpumpe als fehlerhaft angesehen wird. Damit ist es möglich, nur mit einem Drucksensor und einer damit verbundenen Auswerteeinheit eine Fehlfunktion der Sekundärluftpumpe zu erfassen. Informationen über Betriebsparameter der Sekundärluftpumpe sind dazu nicht notwendig.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Drucksensor zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Gasdruckes zwischen Sekundärluftzufuhr und Katalysator und eine mit dem Drucksensor verbundene Auswertungseinheit vorgesehen sind, dass eine der Auswertungseinheit zugeordnete Frequenzanalyseeinheit zur Transformierung des vom Drucksensor erfassten zeitlichen Verlaufs des Gasdrucks vorgesehen ist und dass Mittel zum Erkennen eines Fehlers durch Auswertung der Frequenzanalyse vorgesehen sind.
  • Der zeitliche Verlauf des Gasdruckes kann in einer Variante A zwischen einer Sekundärluftpumpe und einem Sekundärluftventil oder in einer Variante B zwischen dem Sekundärluftventil und einem Katalysator erfasst werden. Dabei hat Variante A den Vorteil, dass der Drucksensor geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Variante B hat demgegenüber den Vorteil, dass die Signale leichter auszuwerten sind, da die Signale größer sind und kleine Störungen besser erkennbar sind.
  • Die Kurve des zeitlichen Druckverlaufs resultiert aus einer Überlagerung von verschiedenen Einflüssen. Dabei ist der Haupteinfluss natürlich der Verbrennungsprozess in den Zylindern der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges sowie die Geometrie des Abgassystems. Dazu kommt eine Überlagerung durch die Sekundärluftzufuhr und weitere Überlagerungen durch weitere Einflussgrößen. Eine dieser weiteren Einflussgrößen kann dabei ein Leck im Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Katalysator sein.
  • Eine Frequenzanalyse des zeitlichen Verlaufes des Gasdruckes erlaubt es, die verschiedenen, voneinander überlagerten, Einflussgrößen zu trennen. Damit kann eine Veränderung im zeitlichen Verlauf der Kurve nach erfolgter Frequenzanalyse einer sie verursachenden Einflussgröße zugeordnet werden. Da bereits kleinste Löcher den zeitlichen Verlauf des Gasdruckes verändern, ist die Vorrichtung geeignet, selbst kleinste Löcher und Undichtigkeiten im Sekundärluftsystem zu erkennen.
  • Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen und Messkurven. Im Folgenden wird anhand der Zeichnung und Messkurven die Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 zwei Druckpulsationskurven,
  • 3 eine Darstellung der Abhängigkeit des mittleren Gasdruckes vom Luftmassendurchsatz,
  • 4 verschiedene frequenzanalysierte Gasdruckkurven.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren. In Block 1 wird der Druck im Abgassystem erfasst. Dazu ist beispielsweise in einem Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Katalysator ein Drucksensor vorgesehen. Der Drucksensor erfasst den zeitlichen Verlauf des Gasdrucks. Dazu wird der Gasdruck kontinuierlich oder diskontinuierlich erfasst. Es können auch mehrere Drucksensoren zur Gasdruckerfassung vorgesehen sein.
  • In der einfachsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ergebnis der Druckerfassung in Block 5 einer Frequenzanalyse zugeführt. Diese Frequenzanalyse kann als Fourieranalyse oder dergleichen ausgeführt sein. Ebenso können auch mathematisch einfachere Analyseverfahren eingesetzt werden. Schließlich wird der höchste Peak der Frequenzanalyse ermittelt und sein maximaler Wert pmax festgestellt.
  • In Block 6 wird pmax mit einer Schwelle S_pmax verglichen. Diese Schwelle ist abhängig von der Ausführung des Abgassystems und Motors und wird für jedes Fahrzeug bzw. jede Ausführung individuell festgelegt.
  • Ist pmax kleiner als S_pmax so liegt ein Leck vor. In diesem Fall wird in Block 7 erfasst, dass ein Leck im Sekundärluftsystem vorliegt. Diese Information kann auch extern auslesbar sein.
  • Ist pmax größer als S_pmax so liegt kein Leck vor. In diesem Fall wird in Block 7 erfasst, dass das Sekundärluftsystem fehlerfrei (ok) ist. Diese Information kann auch extern auslesbar sein.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens sind den Blöcken 5 bis 8 die Blöcke 1 bis 4 vorangestellt.
  • Durch die Blöcke 1 bis 4 wird überprüft, ob die Sekundärluftpumpe ordnungsgemäß arbeitet.
  • In Block 2 wird aus den Daten der Druckwerterfassung des Blockes 1 ein gleitender Mittelwert pmitt des Druckes ermittelt. Dabei bedeutet gleitender Mittelwert, dass der Mittelwert immer wieder neu berechnet wird, wobei die Werte zur Mittelwertberechnung in einem Zeitintervall liegen, welches bei jeder Mittelwertberechnung um die seit der letzen Berechnung verstrichene Zeit verschoben wird.
  • Die Länge des Zeitintervalls wird typischerweise so gewählt, dass sie einer Zeit entspricht, die der Motor bei der aktuellen Motordrehzahl benötigt, um die Kurbelwelle um einen Winkel von 720° zu drehen.
  • In Block 3 wird der aktuelle Mittelwert pmitt mit einem Schwellwert S_pmitt verglichen. Wird der Schwellwert unterschritten, so ist die Sekundärluftpumpe fehlerhaft.
  • Ist pmitt kleiner als S_pmitt, so liegt ein Fehler der Sekundärluftpumpe vor. In diesem Fall wird in Block 4 erfasst, dass ein Fehler in der Sekundärluftpumpe vorliegt. Diese Information kann auch extern auslesbar sein.
  • Ist pmitt größer als S_pmitt, so liegt kein Fehler vor. In Block 5 wird entsprechend erfasst, dass das Sekundärluftsystem fehlerfrei arbeitet. Diese Information kann in einer Ausführungsform auch extern ausgelesen werden.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Blöcke 2 und 3 zwischen Block 1 und Block 5 angeordnet. Es sind aber auch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich. Beispielsweise können die Blöcke 2 bis 4 nach Block 6 angeordnet sein. Insbesondere können die Blöcke 2 und 3 zwischen Block 6 und Block 8 angeordnet sein.
  • Die Blöcke 2 bis 4 können in einer alternativen Ausführungsform auch den Blöcken 5 bis 8 nachgeordnet sein.
  • 2 zeigt den zeitlichen Gasdruckverlauf an einem Drucksensor. Dabei zeigt Kurve 9 den Druckverlauf an einem Drucksensor, der zwischen Sekundärluftpumpe und Sekundärluftventil in der Nähe des Sekundärluftventils angeordnet ist. Kurve 10 zeigt den Druckverlauf an einem Drucksensor, der zwischen Sekundärluftventil und Katalysator angeordnet ist. Dabei ist erkennbar, dass am Messort der Kurve 10 die Druckpulsationen deutlich ausgeprägter sind als am Messort der Kurve 9. Dabei wird unter Druckpulsationen die zeitliche Veränderung des Gasdruckes am Messort verstanden.
  • 3 zeigt, wie sich der Massendurchsatz der Sekundärluftpumpe auf den gemittelten Gasdruck am Messort auswirkt. Dabei ist der Gasdruck über ein in seiner Breite fest gewähltes gleitendes Intervall gemittelt. Diese fest gewählte Breite beträgt typischerweise 720° Kurbelwellenwinkelumdrehung, kann aber auch anders gewählt werden (z.B. 360° Kurbelwellenwinkel oder feste Zeitintervalle). Dabei kann das Zeitintervall, welches benötigt wird, um die Kurbelwelle um einen Winkel von 720° zu drehen, abhängig von der Drehzahl des Motors, unterschiedlich lang sein.
  • 3 zeigt, dass der mittlere Gasdruck pmitt am Messort bei sinkendem Massendurchsatz der Sekundärluftpumpe sinkt. Ein Fehler in der Sekundärluftpumpe kann also anhand des mittleren Gasdruckes pmitt am Messort erkannt werden. Es kann dazu eine Schwelle S_pmitt für den mittleren Gasdruck pmitt gewählt werden, unterhalb derer die Sekundärluftpumpe als fehlerhaft erkannt wird.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener frequenzanalysierter Gasdruckkurven. Als Datenbasis zur Durchführung der Frequenzanalyse wird bevorzugt das Messwerteintervall betrachtet, dass auch zur Berechnung des gleitenden Mittelwertes gewählt wurde. Das Ergebnis der Frequenzanalyse zeigt ein Hauptmaximum, einen begrenzten Frequenzbereich, dem ein besonders hoher Druck zugeordnet ist. Solche Maxima werden in der vorliegenden Druckschrift auch als Peak bezeichnet. Weitere Nebenpeaks liegen außerhalb des in 4 dargestellten Frequenzbereichs. In 4 sind verschiedene Kurven 11 bis 15 dargestellt.
  • Kurve 11 zeigt den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei 100 arbeitender Sekundärluftpumpe.
  • Kurve 12 zeigt den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei auf 64% reduziertem Luftmassendurchsatz der Sekundärluftpumpe. Da der geringere Luftmassendurchsatz der Sekundärluftpumpe die vom Motor verursachten Druckschwankungen weniger dämpft, ist der Hauptpeak gegenüber dem der Kurve 11 erhöht.
  • Kurve 13 zeigt den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei auf 47% reduziertem Luftmassendurchsatz der Sekundärluftpumpe. Da der geringere Luftmassendurchsatz der Sekundärluftpumpe die vom Motor verursachten Druckschwankungen weniger dämpft, ist der Hauptpeak gegenüber dem der Kurve 11 und der Kurve 12 erhöht.
  • Kurve 14 zeigt den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei 100 arbeitender Sekundärluftpumpe bei Vorliegen einer Undichtigkeit zwischen Sekundärluftventil und Katalysator. Der Peak ist weniger hoch als bei den Kurven 11 bis 13.
  • Kurve 15 zeigt den frequenzanalysierten Druckverlauf am Messort bei 100 arbeitender Sekundärluftpumpe bei vorliegen einer Undichtigkeit zwischen Sekundärluftpumpe und Sekundärluftventil. Der Peak ist weniger hoch, als bei den Kurven 11 bis 13. Der Vergleich zwischen Kurve 14 und Kurve 15 zeigt, dass eine Undichtigkeit nach dem Sekundärluftventil die Peakhöhe etwas weniger beeinflusst als eine Undichtigkeit vor dem Sekundärluftventil.
  • Das Verfahren kann auch an einem anderen als dem höchsten Peak durchgeführt werden (Nebenpeak). Dabei muss sichergestellt werden, dass auch nur der diesem Nebenpeak entsprechende Frequenzbereich betrachtet wird. Die Schwelle ist dann entsprechend niedriger festzulegen.
  • Wie in 4 dargestellt, ist die Schwelle S_pmax so zu wählen, dass der höchste Peak bei 100 arbeitender Sekundärluftpumpe immer sicher oberhalb dieser Schwelle S_pmax ist. Unterschreitet der Peak diese Schwelle, wird eine Undichtigkeit des Sekundärluftsystems erkannt. Dabei gilt der gesamte Bereich zwischen Sekundärluftpumpe und Katalysator als Teil des Sekundärluftsystems.
  • In Erweiterung der Erfindung ist es denkbar eine Schwelle S2_pmax oberhalb des Peaks der Kurve 11 einzuführen. Wenn diese Schwelle überschritten wird, gilt die Sekundärluftpumpe als fehlerhaft. Damit würde diese Schwelle S2_pmax in ihrer Funktion der Schwelle S_pmitt entsprechen. Sie kann als zusätzliche Absicherung der Schwelle s_pmitt dienen.
  • Alternativ kann die Schwelle S2_pmax auch die Schwelle S_pmitt ersetzen. In diesem Fall entfällt Block 2 der 1. Block 3 wird Block 5 nachgeordnet und überprüft nunmehr, ob pmax > S2_pmax ist.
  • Sind zwei unabhängige Abgassysteme vorhanden, beispielsweise bei einem V-Motor, so weist jedes Abgassystem einen Drucksensor auf und die Auswertung für die beiden Abgassysteme erfolgt unabhängig voneinander.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Überwachung eines Sekundärluftsystems eines in einem Kraftfahrzeug angeordneten Abgassystems, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen einer Sekundärluftpumpe und einem Katalysator der Gasdruck in seinem zeitlichen Verlauf mittels eines Drucksensors erfasst wird (Block 1), – dass eine Frequenzanalyse des zeitlichen Verlaufs des Gasdrucks durchgeführt wird (Block 5) – und dass durch Auswertung der Frequenzanalyse(Block 6) ein Fehler im Sekundärluftsystem ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzanalyseverfahren (Block 5) eine Fourieranalyse ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl und einem Umgebungsluftdruck ein zu betrachtender Frequenzbereich ausgewählt wird, – und dass der maximale Wert (pmax) des Gasdrucks in diesem Frequenzbereich ermittelt wird (Block 5).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass dieser maximale Wert (pmax) des Gasdrucks mit einem Schwellwert (S_pmax) verglichen wird (Block 6), – und dass bei Unterschreiten des Schwellwertes (S_pmax) ein Leck im Sekundärluftsystem erkannt wird (Block 7).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass zusätzlich ein gleitender zeitlicher Mittelwert (pmitt) des Gasdruckes gebildet wird (Block 2), – dass dieser Mittelwert (pmitt) mit einem Schwellwert (S_pmitt) verglichen wird (Block 3) und – dass die Sekundärluftpumpe als fehlerhaft erkannt wird (Block 4), wenn der Mittelwert (pmitt) kleiner ist als der Schwellwert (S_pmitt).
  6. Vorrichtung zur Überwachung eines Sekundärluftsystems eines in einem Kraftfahrzeug angeordneten Abgassystems, wobei das Abgassystem einen Katalysator aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Drucksensor zu Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Gasdruckes zwischen Sekundärluftzufuhr und Katalysator und eine mit dem Drucksensor verbundene Auswertungseinheit vorgesehen sind, – dass eine der Auswertungseinheit zugeordnete Frequenzanalyseeinheit zur Transformierung des vom Drucksensor erfassten zeitlichen Verlaufs des Gasdrucks vorgesehen ist, – dass Mittel zum Erkennen eines Fehlers durch Auswertung der Frequenzanalyse vorgesehen sind.
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