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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Diagnose eines Stellers eines Abgasturboladers
bei einer Brennkraftmaschine.
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Die Ansteuerung des Turbinenverhaltens
eines Abgasturboladers erfolgt unter widrigen Umgebungsbedingungen.
Ein Steller zum Ansteuern des Turbinenverhaltens des Abgasturboladers
kann ein von dem Ansteuersignal abweichendes Stellerverhalten zeigen.
Ursachen hierfür
können
Schwergängigkeit,
kleine Unstetigkeiten beim Stellverhalten und die Nähe von Endlagepositionen
sein.
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Bei bekannten Diagnoseverfahren wird
im wesentlichen eine Steilabweichung gegenüber einem Erwartungswert für eine vorgegebene
Ansteuerung des Stellers diagnostiziert. So kann beispielsweise
diagnostiziert werden, dass ein Wastegate im Abgastrakt sich nicht
vollständig
schließen
läßt, wenn
der für
den Betriebspunkt vorgesehene Spitzenladedruck nicht erreicht werden
kann.
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Ein weiteres bekanntes Diagnoseverfahren arbeitet
ebenfalls mit dem Ladedruck. Dabei wird ein zu hoher Ladedruck für ein ansteuerungstechnisch vollständig geöffnetes
Wastegate festgestellt. Dieses Verhalten führt zur Diagnose, dass die
Wastegate-Klappe klemmt oder blockiert ist.
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Bisherige Diagnoseverfahren haben
sich stets auf einzelne Fehler beschränkt und nicht kontinuierlich
das Stellverhalten am Abgasturbolader überwacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Diagnoseverfahren für
einen Steller eines Abgasturboladers bereitzustellen, das eine zuverlässige und
kontinuierliche Überwachung
des Stellverhaltens zuläßt bei gleichzeitiger
Einzeldiagnose der verschiedenen Stellstreckenbestandteile.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein
Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt in einem ersten Schritt eine Erkennung eines stationären oder
quasistationären
Betriebzustands der Brennkraftmaschine. Liegt ein solcher Betriebszustand
vor, erfolgt anschließend
ein Ansteuern eines ersten Stellers für den Abgasturbolader im Abgastrakt.
Zudem wird ein zweiter Steller im Ansaugtrakt angesteuert derart,
dass die Brennkraftmaschine in dem stationären bzw. quasi-stationären Zustand
verbleibt. Die Ansteuerung des zweiten Stellers kompensiert die
Wirkung, die sich mit dem Ansteuern des ersten Stellers ergibt.
In einem nachfolgenden Schritt erfolgt eine Bestimmung der Zustandsgröße an der
Turbine oder dem Verdichter, wobei aus dem Ansteuersignal und dem
Zustandswert ein Diagnosesignal für den ersten Steller bestimmt wird.
Die Bestimmung kann hierbei mit Hilfe von Messwerten und/oder mit
Modellwerten aus der Motorsteuerung erfolgen. Indem das erfindungsgemäße Verfahren
einen ersten und einen zweiten Steller einsetzt, kann die Ansteuerung
der Steller derart erfolgen, dass die Brennkraftmaschine in ihrem
stationären
bzw. quasi-stationären
Zustand verbleibt. Während
des Diagnoseverfahrens ist also eine Änderung an der Brennkraftmaschine
von außen
für den
Fahrer nicht spürbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
zwei Ansätze
für die
konstant gehaltenen Betriebszustände
unterschieden werden. Beim ersten Ansatz werden die Betriebspunkte
für die
Verbrennung, wie beispielsweise Zündwinkel, konstantgehalten.
Bei einem zweiten Ansatz wird ohne konstante Betriebspunkte für die Verbrennung
gearbeitet, wodurch allerdings ein nicht optimales Betriebsverhalten
auftreten kann. Bei beiden Ansätzen
ist mindestens das effektive Moment konstant, so dass ein Fahrer
die Änderung
an der Brennkraftmaschine nicht bemerkt.
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Je nach Aufbau des Abgasturboladers
dient als erster Steller im Abgastrakt ein oder mehrere Stelleinheiten
für eine
Wastegate-Klappenposition, einen Turbinenschaufelanstellwinkel,
eine Position einer Schiebehülse
an dem Abgasturbolader und/oder eine Abgasklappenposition. Mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
werden gerade an diesen Stelleinheiten im Abgastrakt Störungen festgestellt.
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Für
den zweiten Steller im Ansaugtrakt wird bevorzugt eine Drosselklappe
und/oder eine Umluftklappe oder -ventil vorgesehen. Bei einer Umluftklappe
bzw. einem Umluftventil handelt es sich um eine Klappe bzw. ein
Ventil, die in einer Parallelleitung zu dem Verdichter des Abgasturboladers
angeordnet sind und abhängig
von ihrer Stellung einen Teil des angesaugten Luftstroms an dem
Verdichter des Abgasturboladers vorbeileiten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
wird der stationäre
bzw. quasi-stationäre
Zustand aufgrund der Werte für
die Motordrehzahl, Füllung,
Füllungszusammensetzung
bei interner Abgasrückführung, Einspritzmenge,
Zündwinkel,
Motormoment und Ventiltrieb erkannt. Hierzu werden in einer Motorsteuerung Grenzen
vorgegeben, innerhalb derer für
eine vorbestimmte Zeitdauer der stationäre Betrieb erkannt wird.
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Um die Funktionsweise des angesteuerten ersten
Stellers gezielt überprüfen zu können, wird
der erste Steller schrittweise angesteuert, wobei Schrittbreite
und -takt zwischen den Schritten derart gewählt sind, dass die Änderung
zu jedem einzelnen Schritt an der Turbine und/oder am Verdichter
erfasst werden kann. Es wird also eine schrittweise Änderung
der Ansteuersignale für
den ersten Steller definiert. Die Parameter für die schrittweise Änderung werden
dabei so ausgewählt,
dass bei einer einwandfreien Funktionsweise des Stellers die hervorgerufenen Änderungen
einzeln aufgelöst
von Messsensoren erfasst werden können und nicht ineinander übergehen.
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Bevorzugt bewirkt die schrittweise Änderung der
Ansteuersignale eine zunehmende Betätigung des Stellers, wobei
das Diagnosesignal für
eine Fehlfunktion des Stellers generiert wird, wenn die festgestellte Änderung
um mehr als einen Mindestbetrag von einer proportional zum Ansteuersignal
des Stellers zunehmenden Änderung
abweicht. Die schrittweise Änderung
der Ansteuersignale erfolgt nach Amplitude und Zeit (Verweildauer).
Die Änderung kann
hierbei in Form von Rampen, die über
diskrete Stufenhöhen
und Verweildauer je Stufe definiert sind, oder durch Sprünge, beispielsweise
durch Rechtecksprünge,
erfolgen.
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Diese Ansteuerung hat eine Betätigung des Stellers
zur Folge (Stimulus), die nach einer erwarteten Antwortzeit bei
einwandfrei arbeitendem System eine Änderung des Zustands um die
Turbine bzw. den Verdichter bewirkt, welche anhand von Sensoren im
Einlass- und/oder Auslasstrakt detektiert wird.
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Diesem Verfahrensschritt liegt die
Annahme zugrunde, dass eine Änderung
des Stellers ebenfalls eine Änderung
der Zustandsgröße bewirkt.
Dabei kann zur Diagnose einzelner Teile der Stellstrecke nicht nur
die Änderung
der Zustandsgröße als solche,
sondern auch das zeitliche Verhalten der Änderung herangezogen werden.
Treten bei der Änderung der
Zustandsgröße sprunghafte Änderungen
oder eine Sättigung
auf, so ist dies ein Hinweis auf einen Fehler an dem Steller.
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Damit die Änderung des ersten Stellers
sich nicht nachteilig auf den Betriebszustand der Brennkraftmaschine
auswirkt, wird der zweite Steller nach einer bestimmten Verzögerungszeit
angesteuert, um die vorgenommene Ansteuerung zu kompensieren.
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Ein Alterungsprozess des Stellers
lässt sich diagnostizieren,
indem bevorzugt die gemessene Änderung
zusammen mit dem zugehörigen
Ansteuersignal abgelegt und mit einer zweiten gemessenen Änderung
zu einem späteren
Zeitpunkt verglichen wird.
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Der Vergleich zeigt, ob sich das
Ansprechverhalten des Stellers auf die Ansteuersignale mit der Zeit
geändert
hat.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens
wird anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader in einer schematischen Ansicht
und
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2 das
erfindungsgemäße Verfahren
im Blockdiagramm.
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 10 in schematischer Ansicht. Ein
Ansaugtrakt 12 ist mit einem Luftfilter 14 und
einem Ladeluftkühler 16 versehen.
Stromaufwärts
von dem Ladeluftkühler 16 ist eine
Verdichterturbine 18 eines Abgasturboladers vorgesehen.
Stromabwärts
von dem Ladeluftkühler 16 ist
eine Drosselklappe 20 schematisch dargestellt. Der durch
die Drosselklappe 20 getretene Luftmassenstrom verteilt
sich auf die Zylinder 22, von denen in dem Ausführungsbeispiel
vier angedeutet sind.
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Auslassseitig sind die Zylinder 22 mit
einem Abgastrakt 24 verbunden. Der Abgastrakt 24 kann mit
einem Katalysator 26 ausgestattet sein. Stromaufwärts von
dem Katalysator 26 befindet sich eine Turbine 28 des
Abgasturboladers. Der besseren Übersicht
halber ist nicht dargestellt, dass Turbine 28 und Verdichter 18 des
Abgasturboladers miteinander mechanisch gekoppelt sind, wobei im
Betrieb die Turbine 28 den Verdichter 18 antreibt.
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Parallel zu der Turbine 28 ist
eine Bypass-Leitung 30, mit einem Wastegate 32 im
Abgastrakt vorgesehen. Drosselklappe 20 und Wastegate 32 sind über eine
Motorsteuerung 34 ansteuerbar. Die Motorsteuerung 34 stellt über die
angedeuteten Sig nale 36 fest, ob ein stationärer oder
quasi-stationärer
Zustand der Brennkraftmaschine vorliegt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Ansteuerung des Wastegates 32 kontinuierlich überwacht.
Die Erfindung ist aber keineswegs auf eine Diagnose des Wastegates 32 beschränkt, sondern
kann ebenso für
Turbinen 28 mit variabler Turbinengeometrie oder mit einem
Schiebehülsenlader verwendet
werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird das Wastegate 32 schrittweise angesteuert, wobei die
Ansteuerung mit einer Verzögerungszeit
durch eine entsprechende Ansteuerung der Drosselklappe 20 kompensiert
wird, damit ein konstanter Betriebszustand der Brennkraftmaschine
erhalten bleibt. Der aus Abgasmassenstrom, Temperaturen vor und
nach Turbine, dem Abgasgegendruck sowie dem Druck nach Turbine berechnete
Istwert für die
Verdichterleistung wird überwacht
und dient bei einer nicht dem Ansteuersignal für das Wastegate 32 entsprechend Änderung
als Ausgangspunkt für
ein Diagnosesignal.
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2 verdeutlicht
das erfindungsgemäße Verfahren
in einem Blockdiagramm. In einem ersten Verfahrensschritt 38 werden
die Größen wie
Motordrehzahl, Füllung
bzw. Füllungszusammensetzung (EGR),
Einspritzmenge, Zündwinkel,
Motormoment und Ventiltrieb gemessen bzw. aus Modellen der Motorsteuerung 34 ausgelesen.
Die Größen aus
dem Verfahrensschritt 38 dienen in Schritt 40 zur Ermittlung
des Betriebszustands der Brennkraftmaschine. Wird ein quasi-stationärer Betriebszustand
erkannt, so wird im Verfahrensschritt 42 schrittweise das
Ansteuersignal des Stellers im Abgastrakt geändert. Für die schrittweise Änderung
der Ansteuersignale stehen verschiedene Varianten zur Verfügung. Insgesamt
kann die schrittweise Änderung
unterschieden werden in einer Änderung
nach Amplitude und eine Änderung
nach Zeit (Verweildauer). Für
die Amplitude der Ansteuersignale können noch verschiedene Formen
wie beispielsweise Rampen oder Sprünge definiert werden. Insgesamt
wird die schrittweise Änderung
der Ansteuersignale so ausge wählt,
dass für den
zu analysierenden Stellstreckenabschnitt möglichst aufschlussreiche Antwortsignale
gemessen werden.
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Die Umsetzung des Ansteuersignals
bewirkt einen Istwert für
die Turbinenleistung 44. Gleichzeitig bewirkt die Umsetzung
des Ansteuersignals auch eine Änderung
des Turbinenzustands 46. Sowohl der Istwert für die Turbinenleistung
als auch die Zustände an
der Turbine 46 werden abhängig von dem vorgenommenen
Ansteuersignal des Stellers im Abgastrakt sowie dem Abgasmassenstrom,
den Temperaturen vor und nach Turbine, dem Abgasgegendruck und dem
Druck nach Turbine bestimmt. Das Zustandssignal 46 der
Turbine dient zur Überprüfung, ob
weiterhin ein quasi- und/oder stationärer Zustand vorliegt.
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Der Istwert für die Turbinenleistung 44 wird
in einem nachfolgenden Schritt 50 zum Istwert der Verdichterleistung
umgerechnet. Der Istwert der Verdichterleistung dient zur schrittweisen
Veränderung des
zweiten Stellers im Frischlufttrakt zur Kompensation. Mit der Kompensation
wird sichergestellt, dass sowohl der Saugrohrdruck als auch die
Zylinderfrischluftfüllung
während
des Verfahrens konstant sind.
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In einem Filterungs- und Bewertungs-Schritt 54 liegt
der Istwert der Verdichterleistung 50 und das Ansteuersignal
aus Verfahrensschritt 42 an. In Schritt 54 werden diese
Werte in Beziehung zueinander gesetzt und bei Abweichungen des Istwerts
für die
Verdichterleistung ein Diagnosesignal 56 erzeugt. Bei diesem
Schritt ist ein Modell für
die Verdichterleistung nicht erforderlich, da bereits aufgrund der
Abweichung vom linearen Verhalten festgestellt werden kann, ob eine
Störung
vorliegt.
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Neben der oben genannten Diagnose,
die lediglich eine Abweichung vom linearen Verhalten feststellt,
kann auch durch eine gezielte Auswahl der ersten Stellersignale
eine Diagnose von einzelnen Stellstreckenabschnitten vorgenommen
werden. Wird beispielsweise als Ansteuersignal ein rechteckförmiges Sprungsignal
gewählt,
das zu einem ersten Zeitpunkt vollständig einsetzt und nach einer
Zeit T1 wieder auf Null zurückgesetzt
wird. Ist die Amplitude dieses Sprungsignals groß genug gewählt, so wird eine nachweisbare
Veränderung
der Zustandsgrößen erwartet.
Da bei einer solchen Anregung Hystereseeffekte, d.h. Verhaltenssteller
und Ansteuersignale fallen auseinander, vernachlässigt werden können, kann
aus einen ausbleibenden Antwortsignal bereits ein Diagnosesignal
abgeleitet werden. So kann z.B. bei einem unter Druck geführten System
bei ausbleibender Reaktion eine Undichtigkeit des Systems festgestellt
werden. Auch können
bei diesem Ansteuersignal Verzögerungen
oder vorlaufende Antwortsignale zur Diagnose des Systems eingesetzt
werden.
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Mit Hilfe von rampenförmigen Ansteuersignalen
kann beispielsweise eine Hysterese in der Stellstrecke diagnostiziert
werden. Hierbei nimmt das rampenförmige Ansteuersignale zu, so
kann beispielsweise aus der Rampenhöhe die zur Erzeugung einer
Signalantwort notwendig ist, gefolgert werden, ob ein Hystereseeffekt
vorliegt.
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In Schritt 54 wird berücksichtigt,
dass bei defekten oder alternden Stellern es zu Unstetigkeiten des
Stellverhaltens kommt. Dies bedeutet, dass kleine Änderungen
bei der Ansteuerung zunächst
keinerlei Wirkungen haben und dann, wenn die Mechanik reagiert,
es zu einer sprunghaften Positionsänderung des Stellers kommt.
Bei einem ausgeschlagenen oder deformierten Abschnitt der Stellstrecke kommt
es zu einer kontinuierlichen Verschiebung der Stellerendlagen. Anhand
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann auch über
den Alterungsprozess bzw, bei schlagartigen Deformationen auch über sprunghafte Änderungen
der Stellerendlagen ein Diagnosesignal erzeugt werden. In dem Vergleichsschritt
54 kann als weiteres Kriterium die Ansprechgeschwindigkeit und/oder
die zur Kompensation eingesetzte Verzögerungszeit zur Beurteilung
von mechanischen Widerständen
der Stellstrecke herangezogen werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass
zur Auswertung des Stellverhaltens über die Zeit im Hinblick auf Risiko
und Wirksamkeit gewichtet mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Diagnosewerte
erzeugt werden können.
Der Diagnosewert für
den Steller im Abgastrakt sollte unter Abstufungen in das Gesamtfahrzeugdiagnosekonzept
eingebunden werden. Abstufungen können beispielsweise bedeuten
(a) alles in Ordnung, (b) Austausch ist im Hinblick auf die Fahreigenschaften
zu empfehlen, (c) Austausch muss bis zu den nächsten X-Kilometern erfolgt
sein oder (d) Notlauf ohne Aufladung oder (e) sofortige Stillegunq
des Fahrzeugs.
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Obwohl bei dem Ausführungsbeispiel
das erfindungsgemäße Verfahren
konkret für
ein Wastegate und den Istwert der Turbinenleistung beschrieben wurde,
ist das erfindungsgemäße Verfahren
keineswegs auf dieses Beispiel begrenzt.