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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dynamik-Diagnose von Sensoren einer Brennkraftmaschine, wobei die Sensoren geometrieabhängig und bedingt durch Alterung oder Verschmutzung ein Tiefpassverhalten aufweisen, wobei bei einer Änderung einer Eingangsgröße auf der Basis eines modellierten und eines gemessenen Signals eine Dynamik-Diagnose durchgeführt wird und wobei das gemessene Signal ein Istwert eines Ausgangssignals des Sensors und das modellierte Signal ein Modellwert ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Zur Reduktion der Emission in PKW mit Ottomotoren werden üblicherweise 3-Wege-Katalysatoren als Abgasreinigungsanlagen verwendet, die nur dann ausreichend Abgase konvertieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mit hoher Präzision eingeregelt wird. Zu diesem Zweck wird das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mittels einer der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Abgassonde, häufig in Form einer stetigen Lambdasonde, gemessen.
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Das Speichervermögen einer derartigen Abgasreinigungsanlage für Sauerstoff wird dazu ausgenutzt, in Magerphasen Sauerstoff aufzunehmen und in Fettphasen wieder abzugeben. Hierdurch wird erreicht, dass oxydierbare Schadgaskomponenten des Abgases konvertiert werden können. Eine der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde dient dabei der Überwachung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit muss im Rahmen der On-Board-Diagnose überwacht werden, da sie ein Maß für die Konvertierungsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage darstellt. Zur Bestimmung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit wird entweder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Magerphase mit Sauerstoff belegt und anschließend in einer Fettphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge entleert oder die Abgasreinigungsanlage zunächst in einer Fettphase von Sauerstoff entleert und anschließend in einer Magerphase mit einem im Abgas bekannten Lambdawert unter Berücksichtigung der durchtretenden Abgasmenge aufgefüllt. Die Magerphase wird beendet, wenn die der Abgasreinigungsanlage nachgeschaltete Abgassonde den Sauerstoff detektiert, der nicht mehr von der Abgasreinigungsanlage gespeichert werden kann. Ebenso wird eine Fettphase beendet, wenn die Abgassonde den Durchtritt von fettem Abgas detektiert. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit der Abgasreinigungsanlage entspricht der während der Fettphase zur Entleerung zugeführten Menge an Reduktionsmittel bzw. während der Magerphase zur Auffüllung zugeführten Menge an Sauerstoff. Die genauen Mengen werden aus dem Signal der vorgelagerten Abgassonde und dem aus anderen Sensorsignalen ermittelten Abgasmassenstrom berechnet.
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Nimmt die Dynamik der vorgelagerten Abgassonde ab, z.B. auf Grund von Verschmutzungen oder Alterung, so kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht mehr mit der erforderlichen Präzision eingeregelt werden, so dass die Konvertierungsleistung der Abgasreinigungsanlage nachlässt. Weiterhin können sich Abweichungen in der Diagnose der Abgasreinigungsanlage ergeben, die dazu führen können, dass eine an sich korrekt arbeitende Abgasreinigungsanlage fälschlich als nicht funktionsfähig bewertet wird.
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Der Gesetzgeber verlangt eine Diagnose der Sondeneigenschaften während des Fahrbetriebs, um sicherzustellen, dass das geforderte Luft-Kraftstoffverhältnis weiterhin ausreichend genau eingestellt werden kann, die Emissionen die zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten und die Abgasreinigungsanlage korrekt überwacht wird. U.a. muss eine Verschlechterung der Sonden-Dynamik erkannt werden, die sich durch eine vergrößerte Zeitkonstante und/oder Totzeit bemerkbar machen kann. Dabei muss zusätzlich zwischen einer Richtungsabhängigkeit (fett zu mager oder mager zu fett) unterschieden werden. Da der Lambdaregler für den fehlerfreien Fall appliziert ist, kann eine Verschlechterung der Sonden-Dynamik zu einem Schwingen des Lambda-Reglers und damit des Luft-Kraftstoffverhältnisses führen, was die Emission erhöht und zu Problemen beim Fahren führen kann.
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Aus der
DE 10 2008 042 549 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose der Anstiegsgeschwindigkeit und der Totzeit einer Abgassonde bekannt, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Diagnose auf Grund eines Vergleiches eines modellierten und eines gemessenen Signals nach einer vorgegebenen Änderung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs durchgeführt wird und wobei das Signal ein Ausgangssignal der Abgassonde oder ein aus dem Ausgangssignal abgeleitetes modelliertes oder gemessenes Signal ist. Dabei ist es vorgesehen, dass ein erster Extremwert im Verlauf des modellierten Signals bestimmt wird und dass ein erster Zeitpunkt und ein erster Startwert bestimmt werden, wenn das modellierte Signal um einen vorbestimmten Betrag von dem ersten Extremwert abweicht, dass ein zweiter Extremwert im Verlauf des gemessenen Signals bestimmt wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein zweiter Zeitpunkt und ein zweiter Startwert bestimmt werden, wenn das gemessene Signal um den vorbestimmten Betrag von dem zweiten Extremwert abweicht, dass ein erstes Integral über einen vorbestimmten Zeitraum, beginnend zu dem ersten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem ersten Startwert und dem modellierten Signal gebildet wird und dass ein zweites Integral über einen zweiten Zeitraum, beginnend zu dem zweiten Zeitpunkt, über die Differenz zwischen dem zweiten Startwert und dem gemessenen Signal gebildet wird, dass der zweite Zeitraum gleich dem vorbestimmten Zeitraum ist oder dass das Ende des zweiten Zeitraums bezogen auf den Zeitpunkt der Änderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses oder bezogen auf den ersten Zeitpunkt festgelegt wird und dass aus einem quantitativen Vergleich zwischen dem ersten Integral und dem zweiten Integral ein quantitativer Vergleichswert gebildet wird, aus dem auf die Anstiegsgeschwindigkeit und/oder die Totzeit der Abgassonde geschlossen wird.
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Dieses Verfahren verwendet sprungartige Verstellungen des Luft-Kraftstoffverhältnisses, anhand derer die Dynamik der Abgassonde bewertet wird, wobei zusätzlich eine Richtungsabhängigkeit, d.h. von fett zu mager oder von mager zu fett, unterschieden wird. Dafür wird für eine gewisse Zeitspanne nach dem Sprung die Fläche unter dem Lambdasignal der Abgassonde aufintegriert und mit einer analog berechneten Fläche eines im Steuergerät modellierten Lambdasignals ins Verhältnis gesetzt. Ist das berechnete Verhältnis kleiner als eine applizierbare Schwelle, so genügt die Abgassonde nicht mehr dem geforderten Dynamikverhalten.
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Ein weiteres Verfahren – hier Steigungsverfahren genannt – verwendet ebenfalls sprungartige Verstellungen des Luft-Kraftstoffverhältnisses und bestimmt innerhalb einer gewissen Zeitspanne nach dem Sprung die betragsmäßig maximale Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses. Die Zeitspanne zur Auswertung ergibt sich durch einen applizierbaren Hub, um den sich das gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis nach dem Sprung ändern darf. Diese Zeitspanne wird als Totzeit interpretiert, korrigiert um die Differenz zwischen dem Zeitpunkt zum Ende der Auswertung und dem Zeitpunkt, bei der eine Gerade mit der zuvor bestimmten maximalen Steigung durch den Wert des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses zum Ende der Auswertung den Wert des minimalen/maximalen gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses während der Auswertung schneidet. Ein Zeitkonstantenfehler wird durch eine betragsmäßig zu kleine maximale Steigung erkannt.
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Weiterhin ist aus einer noch nicht veröffentlichten Erfindung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen EM 2011/1388 ein Verfahren beschrieben, aus der maximalen Steigung der Sprungantwort explizit eine Zeitkonstante zu berechnen, welche zur Adaption des Reglers sowie als Diagnoseergebnis verwendet werden kann. Bei dieser Erfindung wird vorgeschlagen, zur Dynamikerkennung bei Abgassonden eine schrittweise Adaption der Lambdareglerparameter durch Vergleich der betragsmäßig maximalen Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses mit einer erwarteten betragsmäßig maximalen Steigung vorzunehmen. Weiterhin wird vorgeschlagen, aus der betragsmäßig maximalen Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses eine Zeitkonstante zu berechnen, die zur Diagnose als auch zur Regeladaption verwendet wird. Die Berechnung der Zeitkonstanten weist jedoch einen systematischen Fehler auf, da bei der Herleitung des Verfahrens von einem offenen Regelkreis ausgegangen wird, während der Anwendung des Verfahrens im Fahrzeug der Lambda-Regelkreis jedoch geschlossen ist. Der Regeleingriff im Fall einer verlangsamten Sonde führt dabei zu einer maximalen Steigung, die systematisch größer ist als nach der Herleitung zu erwarten ist. Damit wird die Zeitkonstante systematisch als zu klein identifiziert.
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Dieselben Verfahren können analog auch mit invertierten Lambdasignalen durchgeführt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Dynamik-Diagnose bereitzustellen, bei der systematische Abweichungen der identifizierten Zeitkonstanten vom realen Wert zumindest teilweise beseitigt werden können.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine maximale Steigung einer Sprungantwort eines geschlossenen Regelkreises für den Sensor auf eine sprunghafte Änderung der Eingangsgröße für alle sinnvollen Kombinationen von Regler- und Streckenparametern des Modells anhand von Simulationen bestimmt und daraus eine Zeitkonstante für den Sensor abgeleitet und anhand der ermittelten Zeitkonstante die Dynamik-Diagnose des Sensors durchgeführt wird, wobei mit den Parametern der Simulation und der daraus resultierenden Steigung ein inverses Referenzmodell trainiert wird. Hierbei wird der Einfluss des geschlossenen Regelkreises bei der Herleitung der Berechnungsvorschrift, wie die Zeitkonstante aus der maximalen Steigung folgt, berücksichtigt. Damit wird die systematische Abweichung der identifizierten Zeitkonstante vom realen Wert nahezu beseitigt. Der Regler kann daher besser adaptiert werden, was sich vorteilhaft in einem exakteren Diagnoseergebnis der Dynamik des Sensors wieder spiegelt.
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In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass ein nichtlinearer statischer Approximator als inverses Referenzmodell eingesetzt wird, mittels dessen die Zusammenhänge zwischen allen Regler- und Streckenparametern eingangsseitig und der Zeitkonstante ausgangsseitig abgebildet werden, wobei ein Training des Referenzmodells und/oder die Simulationen offline durchgeführt werden. Offline bedeutet in diesem Fall, dass die Berechnungen nicht während des Betriebs im Steuergerät erfolgen, d.h. online durchgeführt werden, sondern bereits in der Applikationsphase am PC. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Regler nur wenige Parameter besitzt, beispielsweise wenn die Regelparameter größtenteils mit den Streckenparametern übereinstimmen, da dann die Eingangsdimension des inversen Referenzmodells relativ klein ist. In diesem Fall ergibt sich ein geringer Rechenaufwand sowie eine Steigerung der Approximationsgüte des Modells. Der Vergleich der Sprungantworten findet dabei im allgemeinen nicht direkt statt. Das modellierte Signal wird nur offline berechnet und dann zum Training des inversen Referenzmodells verwendet. Ein Vergleich findet nur implizit während der Berechnung der Zeitkonstanten über das Referenzmodell statt.
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Dabei kann in einer vorteilhaften Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass das inverse Referenzmodell in Form einer Kennfeldstruktur, einer Polynomen-Berechnungsstruktur oder als neuronales Netz in einer Berechnungseinheit implementiert wird, welche Bestandteil einer Diagnoseeinheit ist. Letztendlich kann hier jeder nichtlinearer, statische und mit Messdaten trainierbare Approximator verwendet werden, wobei die genannten nur als Beispiele zu verstehen sind. Die Verfahren sind dabei aus der Literatur allgemein bekannt. Nichtlineare statische Approximatoren sind z.B. in dem Buch „Nonlinear System Identification" von Oliver Nelles, Springer Verlag, 2000 angegeben.
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Das Verfahren mit seinen zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten lässt sich bevorzugt für eine Dynamik-Diagnose von Sensoren anwenden, die als Abgassonden im Abgaskanal der Brennkraftmaschine als Teil eines Abgasüberwachungs- und Abgasminderungssystems oder als Gaskonzentrationssensoren in einer Zuluftführung der Brennkraftmaschine ausgebildet sind, wobei die Abgassonden in Form von Breitband-Lambdasonden oder NOx-Sensoren ausgebildet sein können, mit denen ein Sauerstoffgehalt in einem Gasgemisch bestimmt werden kann. Für eine als Breitband-Lambdasonde oder stetige Lambdasonde ausgeführte Abgassonde wird zur Diagnose ein Lambda-Istwert mit einem modellierten Lambda-Modellwert entsprechend den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten verglichen. Für einen Stickoxid-Sensor wird als Istwert das Ausgangssignal des Stickoxid-Sensors ausgewertet, wobei der Modellwert aus einem modellierten NOx-Wert bestimmt wird. Diese Diagnose lässt sich daher besonders vorteilhaft bei Otto-Motoren oder bei Mager-Motoren anwenden, deren Abgasreinigungsanlage einen Katalysator und/oder Einrichtungen zur Stickoxid-Reduktion aufweisen.
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In den zuvor genannten Fällen ist die Eingangsgröße ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoffgemisches. Anhand einer Variation des Luft-Kraftstoffgemisches kann mit dem zuvor beschriebenen Verfahren insbesondere die Dynamik-Diagnose von Abgassonden durchgeführt werden.
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Das Diagnoseverfahren, wie es zuvor beschrieben wurde, lässt sich auch vorteilhaft bei Prozessen mit mindestens einem Sensor anwenden, bei denen der Prozess einen beliebigen geeigneten Regler und Regelstrecke umfasst, wobei nur ein Streckenparameter unbekannt ist. Insbesondere bei komplexen Strukturen des Reglers wird die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises derart kompliziert, dass eine Rücktransformation in den Zeitbereich praktisch nicht mehr möglich ist. Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren unter Ausnutzung von Simulationen kann in diesen Fällen eine hinreichend genaue Approximation des unbekannten Streckenparameters gefunden werden.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Diagnoseeinheit vorgesehen ist, die eine Berechnungseinheit in Form eines nichtlinearen statischen Approximators als inverses Referenzmodell zur Durchführung der Dynamik-Diagnose, wie zuvor beschrieben, aufweist. Dieser sind eingangsseitig Regler- und Streckenparameter sowie eine gemessene maximale Steigung der Sprungantwort eines geschlossenen Regelkreises für den Sensor auf eine sprunghafte Änderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses aufgeschaltet. Ausgangsseitig steht als Ergebnis einer offline durchgeführten Simulation eine Zeitkonstante für den Sensor zur Verfügung, welche zu der Dynamik-Diagnose des Sensors verwendbar ist. Die Funktionalität der Diagnoseeinheit kann dabei zumindest teilweise Software-basiert ausgeführt sein, wobei diese als separate Einheit oder als Teil einer übergeordneten Motorsteuerung vorgesehen sein kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann und
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2 eine Berechnungseinheit zur Durchführung einer Dynamikdiagnose.
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1 zeigt schematisch an einem Beispiel eines Otto-Motors das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose einer Abgassonde 15 eingesetzt werden kann. Einer Brennkraftmaschine 10 wird Luft über eine Luftzuführung 11 zugeführt und deren Masse mit einem Luftmassenmesser 12 bestimmt. Der Luftmassenmesser 12 kann als Heißfilm-Luftmassenmesser ausgeführt sein. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 wird über einen Abgaskanal 18 abgeführt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Brennkraftmaschine 10 eine Abgasreinigungsanlage 16 vorgesehen ist. Die Abgasreinigungsanlage 16 umfasst üblicherweise mindestens einen Katalysator.
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Zur Steuerung der Brennkraftmaschine 10 ist eine Motorsteuerung 14 vorgesehen, die zum einen der Brennkraftmaschine 10 über eine Kraftstoffdosierung 13 Kraftstoff zuführt und der zum anderen die Signale des Luftmassenmessers 12 und der in dem Abgaskanal 18 angeordneten Abgassonde 15 sowie einer in der Abgaskanal 18 angeordneten Abgassonde 17 zugeführt werden. Die Abgassonde 15 bestimmt im gezeigten Beispiel einen Lambda-Istwert eines der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs. Sie kann als Breitband-Lambdasonde oder stetige Lambda-Sonde ausgeführt sein. Die Abgassonde 17 bestimmt die Abgaszusammensetzung nach der Abgasreinigungsanlage 16. Die Abgassonde 17 kann als Sprungsonde oder Binärsonde ausgebildet sein.
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Für die Dynamik-Diagnose der Abgassonde 15 wird das Luft-Kraftstoffverhältnis (LKV) im Brennraum sprungartig verstellt und innerhalb einer gewissen Zeitspanne nach dem Sprung die betragsmäßig maximale Steigung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses bestimmt.
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Zur Modellierung des Luft-Kraftstoffverhältnisses von der Einspritzung bis zur Sonde wird im fehlerfreien Fall ein Filter 1. Ordnung mit einer Zeitkonstanten T und einer Verstärkung K sowie einem Totzeitmodell mit der Totzeit Tt verwendet. Der Filter 1. Ordnung lässt sich im Laplace-Raum demnach wie folgt beschreiben: G(s) = Kexp(– Tts)/(Ts + 1) (1 )
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Im Fehlerfall wirkt eine dynamisch langsame Sonde jedoch wie ein zusätzlicher Filter erster Ordnung, so dass sich das Gesamtsystem durch eine Totzeit Tt und einen Filter zweiter Ordnung mit zwei Zeitkonstanten T und TS für die Sonde modellieren lässt: G(s) = Kexp(– Tts)/((Ts + 1)(TSs + 1)) (2)
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Basierend auf dieser Übertragungsfunktion der Regelstrecke sowie der Übertragungsfunktion des Reglers lässt sich die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises berechnen. Theoretisch lässt sich aus der Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises die Sprungantwort sowie dessen maximale Steigung bestimmen, indem man zunächst eine Rücktransformation vom Laplace- in den Zeitbereich durchführt.
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Je nach Struktur des Reglers wird die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises jedoch so komplex, dass eine Rücktransformation in den Zeitbereich praktisch nicht mehr möglich ist. Stattdessen wird, wie dies 2 schematisch zeigt, die maximale Steigung der Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises für alle sinnvollen Kombinationen von Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 anhand von Simulationen bestimmt. Mit den Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 sowie mit einer daraus simulierten maximalen Steigung 23 wird dann ein nichtlinearer statischer Approximator als inverses Referenzmodell trainiert, wobei die simulierte maximale Steigung 23 sowie alle Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 außer der zu identifizierenden Zeitkonstante 24 der Sonde (TS) als Eingang des Referenzmodells verwendet werden. In 2 ist dieser nichtlineare statische Approximator als Berechnungseinheit 20 dargestellt, wobei dieser als Kennfeldstruktur, Polynomen-Berechnung oder als neuronales Netz ausgelegt sein kann. Ausgang des Referenzmodells ist die zu identifizierende Zeitkonstante 24 für die Sonde (TS).
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Dieses inverse Referenzmodell als Teil einer Diagnose-Einheit kann in der Motorsteuerung 14 implementiert sein und berechnet aus den bekannten Regler- und Streckenparametern 22.1, 22.2 bzw. 21.1, 21.2 sowie der gemessenen maximalen Steigung 23 der Sprungantwort die Zeitkonstante 24 für die Sonde (TS). Bis auf die Auswertung des inversen Referenzmodells im Steuergerät können alle Arbeitsschritte und Berechnungen (Simulation, Training) offline durchgeführt werden. Streckenparameter sind z.B. eine Zeitkonstante und eine Totzeit. Im Falle eines modellbasierten Reglers können diese auch als Reglerparameter dienen sowie zusätzlich ein Parameter zur Festlegung der Reglergeschwindigkeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042549 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Buch „Nonlinear System Identification“ von Oliver Nelles, Springer Verlag, 2000 [0016]
