6. Dezember 2006

Beschreibung

Titel

Vorrichtung zur Diagnose von Fehlfunktionen in Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Aufgrund der zunehmenden Komplexität der in Fahrzeugen eingesetzten Systeme und Komponenten ist eine hohe Diagnosetiefe in Verbindung mit einer schnellen und erfolgreichen Fehlersuche in Service- Werkstätten erforderlich. Im Mittelpunkt stehen hierbei insbe- sondere das Kraftstoffeinspritzsystem sowie zunehmend auch das Luft- bzw. Abgassystem eines Fahrzeuges.

So sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Sensorsysteme zur überwachung der Funktionalität von in Kraftfahrzeugen eingesetzten Brennkraftmaschinen bekannt. Als Beispiel sind hierbei die so genannten Lambdasonden zu erwähnen, welche seit ca. 30 Jahren in Abgassystemen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden und welche entscheidend zur Verbesserung der Abgasqualität von Kraftfahrzeugen beigetragen haben. Verschiedene Typen derartiger Lambdasonden sind bekannt und sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Juni 2001, Seiten 112 bis 117 beschrieben. Derartige Sensoren basieren auf einer elektrochemischen Messung einer Sauerstoffkonzentration und werden beispielsweise für eine Regelung der Brennkraftmaschine im Betrieb des Kraftfahrzeugs eingesetzt.

Die bekannten Sensorsysteme und Diagnosesysteme sind jedoch in der Regel lediglich aus- gestaltet, um einen Betrieb der Brennkraftmaschine zu regeln bzw. zu optimieren. Objektive Verfahren und Systeme zur Detektion von Fehlern in der Motorfunktion, insbesondere zur Detektion einer fehlerhaften oder ganz ausbleibenden Einspritzmenge an einem Zylinder, sind jedoch aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

Derartige Fehler im Einspritzverhalten der Brennkraftmaschine können sich beispielsweise durch einen Verschleiß oder eine Drift von Einspritzkomponenten ergeben. Bekannte Verfahren zur Untersuchung der Einspritzmenge basieren lediglich auf subjektiven Beurteilungen, wie beispielsweise der Veränderung des Verbrennungsgeräuschs. Eine derartige sub-

jektive Auswertung muss jedoch in der Regel von einem erfahrenen Ingenieur oder Mechaniker durchgeführt werden, welcher über umfangreiche Erfahrung auf diesem Gebiet verfügt. Weiterhin müssen die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bei dieser Art von Auswertung sehr sorgfältig eingestellt sein, da sich der zu diagnostizierende Fehler unter verschiedenen Betriebsbedingungen unterschiedlich auswirken kann und es daher zu einer Fehldiagnose kommen kann.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher eine Vorrichtung zur Diagnose von Fehlfunktionen im Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermeidet und insbesondere eine objektive Diagnose von Fehlfunktionen im Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine ermöglicht. Dadurch lassen sich System- und Komponentenfunktionen des Einspritzsystems von Brennkraftma- schinen objektiv und zuverlässig untersuchen. Die vorgeschlagene, von der Vorrichtung durchgeführte Diagnosemethode vermeidet subjektive Beurteilungskriterien und führt somit zu einer hohen Reproduzierbarkeit der Diagnose. Ein Ausbau der zu diagnostizierenden Komponenten kann insbesondere vermieden werden. Weiterhin ist die Vorrichtung prinzipbedingt nicht eingeschränkt auf spezielle Arten von Einspritzsystemen.

Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, um die Brennkraftmaschine in mindestens einem vorgegebenen Diagnose-Betriebszustand zu betreiben. Dabei wird von der Steuer- und Auswerteeinheit mindestens ein Signal mindestens eines im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffsensors verarbeitet und aus diesem Signal unter Berücksichtigung des vorgegebenen Diagnose-Betriebszustandes auf eine Fehlfunktion des Einspritzsystems geschlossen.

Bei dem Sauerstoffsensor kann es sich insbesondere um einen Sauerstoffsensor zur Messung eines Sauerstoff-Partialdrucks handeln, vorzugsweise um eine oder mehrere der oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Lambdasonden. Verschiedene Arten von Lambdasonden können eingesetzt werden, insbesondere Sprungsonden oder vorzugsweise Breitbandsonden. Es können sowohl Signale der bereits serienmäßig in Fahrzeugen verbauten Lambdasonden eingesetzt werden als auch, alternativ oder zusätzlich, von Lambdasonden, welche mobil ausgestaltet sind und, beispielsweise im Rahmen einer Werkstattdi- agnose, vorübergehend in das Abgassystem der Brennkraftmaschine eingebracht bzw. mit diesem verbunden werden können. Letzteres bietet sich insbesondere an, wenn eine entsprechende Lambdasonde nicht serienmäßig im Abgasstrom vorgesehen ist.

Insbesondere ist die Vorrichtung vorzugsweise eingerichtet, um Signale des Sauerstoffsensors mit Vergleichsdaten bzw. Sollsignalen zu vergleichen. Beispielsweise kann es sich bei diesen Sollsignalen um Vergleichsdaten von Motoren mit bekanntem Einspritzverhalten bzw. bekannter Funktion handeln, oder auch um Vergleichsdaten von Brennkraftmaschinen, bei welchen gezielt bestimmte Fehlfunktionen vorgegeben wurden. Alternativ oder zusätzlich zu dem Vergleich mit Sollsignalen können jedoch auch andere Verfahren zur Auswertung der Signale des Sauerstoffsensors herangezogen werden. So können beispielsweise Korrelationen mit weiteren Signalen durchgeführt werden, oder es kann eine analytische oder semiempirische Auswertung erfolgen, wie beispielsweise eine Fourieranalyse der Sig- nale, beispielsweise um gezielt nach bestimmten Frequenzanteilen zu suchen. Auch andere Auswertungsalgorithmen lassen sich einsetzen und sind dem Fachmann bekannt.

Dabei können statische Signale verarbeitet werden, oder es kann auch ein zeitlicher Verlauf eines Signals mit einem zeitlichen Sollsignalverlauf verglichen werden. So kann beispiels- weise der Diagnose-Betriebszustand eine zeitliche Abfolge mehrerer Betriebszustände umfassen, mit einem oder mehreren Wechseln von Betriebszuständen, wobei der zeitliche Verlauf des Sauer Stoffsignals aufgenommen und mit vorgegebenen Sollsignalverläufen verglichen wird. Durch Abweichung von Sollsignalen bzw. ähnlichkeit mit vorgegebenen bestimmten Sollsignalen (beispielsweise bekannten Fehlersignalen) kann hieraus beispielsweise auf eine Fehlfunktion in einem bestimmten Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einem einzelnen Kraftstoffinjektor, geschlossen werden.

Insbesondere kann die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet sein, um periodische Modulationen in einem Signalverlauf des Signals des Sauerstoffsensors zu detektieren und mit einer Motordrehzahl zu korrelieren. Insbesondere kann dabei ein Drehzahlsignal eines Drehzahlsensors der Brennkraftmaschine verarbeitet werden. So können beispielsweise gezielt periodisch wiederkehrende Signalanteile mit einem ganzzahligen Vielfachen oder einem ganzzahligen Bruchteil der Drehzahl der Brennkraftmaschine gezielt im Signalverlauf des Sauerstoffsensors detektiert werden, beispielsweise automatisch, beispielsweise unter Ein- satz bestimmter Filtertechniken wie zum Beispiel von Bandpassfϊltern. Wenn vorzugsweise zusätzlich die Motorphase berücksichtigt wird, können auf diese Weise die Signalanteile gezielt bestimmten Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordnet werden. Weiterhin kann aus der beschriebenen Korrelation der periodischen Modulationen mit der Drehzahl eine Plausibilitätsbetrachtung der Fehlerdetektion durchgeführt werden, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.

-A-

Der oben beschriebene Diagnose-Betriebszustand kann einen statischen oder auch einen zeitlich veränderbaren Betriebszustand der Brennkraftmaschine umfassen. Insbesondere können einer oder mehrere der folgenden Betriebsmodi umfasst sein:

- mindestens ein Einspritzventil, vorzugsweise genau ein Einspritzventil, der Brennkraftmaschine wird derart angesteuert, dass dieses mit von den anderen Einspritzventilen abweichenden Betriebsparametern, insbesondere abweichenden Ansteuersignalformen, beaufschlagt wird;

- mindestens ein Einspritzventil, vorzugsweise genau ein Einspritzventil, der Brennkraftmaschine wird derart angesteuert, dass dieses ausschließlich eine Teileinspritzung durchführt, insbesondere eine Voreinspritzung und/oder eine Haupteinspritzung und/oder eine Nacheinspritzung.

Durch dieses gezielte Beeinflussen einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine und die Beobachtung der änderung des Sauerstoffsignals in Folge dieser gezielten Einflussnahme kann eine objektive Diagnose durchgeführt werden, ohne die entsprechenden Komponenten ausbauen zu müssen. So kann insbesondere eine vollständige Abschaltung der Einspritzung eines einzelnen oder mehrerer Einspritzventile erfolgen, also eine Ansteuerung, bei der die Ansteuerdauern für alle Teileinspritzungen auf Null gesetzt werden.

Die Steuer- und Auswerteeinheit kann als eine einzelne, zentrale Einheit oder alternativ als dezentrale Einheit mit mehreren separaten Komponenten ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Steuer- und Auswerteeinheit einen Computer, beispielsweise einen Mikrocomputer umfassen, welcher programmtechnisch eingerichtet ist, um die oben beschriebenen Funktionen durchzuführen. Dieser Computer kann insbesondere über einen oder mehrere flüchtige oder nichtflüchtige Datenspeicher verfügen, in welchen beispielsweise die genannten Sollsignale hinterlegt sein können. Auch entsprechende Eingabe- und Ausgabemittel, insbesondere Schnittstellen, graphische Ausgabegeräte oder ähnliches können vorgesehen sein.

So kann beispielsweise die Steuer- und Auswerteeinheit in einem Diagnosemodul umfasst sein, welches im Fahrzeug integriert sein kann oder vorzugsweise mobil bzw. werkstattgebunden ausgestaltet sein kann. Dieses Diagnosemodul kann eingerichtet sein, um mittels einer Schnittstelle mit der Brennkraftmaschine und/oder einem Motorsteuerungsgerät der Brennkraftmaschine verbunden zu werden. Das Diagnosemodul kann beispielsweise mit entsprechenden mechanischen und/oder elektrischen Schnittstellen ausgebildet sein, um in einen Kraftfahrzeugprüfstand in einer Kraftfahrzeugwerkstatt integriert zu werden. Das Diagnosemodul kann beispielsweise mit einer graphischen Ausgabeeinheit zur Darstellung

von Diagnoseergebnissen ausgestattet sein, sowie mit einer Eingabeeinheit (beispielsweise einer Tastatur oder ähnlichen, dem Fachmann bekannten Eingabemitteln), sowie entsprechenden Vorgabemöglichkeiten, um es einem Benutzer zu ermöglichen, gezielt Diagnosebedingungen (beispielsweise im Rahmen vorgegebener oder benutzerdefinierter Diagnoseprogramme auszuwählen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Diagnose von Fehlfunktionen im Einspritzsystem einer Brennkraftma- schine; und

Figuren 2a und 2b Signalbeispiele der Vorrichtung gemäß Figur 1 bei normal funktio- nierender Brennkraftmaschine (Figur 2a) bzw. bei fehlender Einspritzung auf einem Zylinder der Brennkraftmaschine (Figur 2b).

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 110 zur Diagnose von Fehlfunktio- nen im Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine 112 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 110 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Steuer- und Auswerteeinheit 114, welche beispielsweise Bestandteil eines Diagnosemoduls sein kann, sowie eine Lambdason- de 116, welche im Abgassystem 118 der Brennkraftmaschine 112 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Lambdasonde 116 als Breitband-Lambdasonde ausgestaltet sein und kann beispielsweise in räumlicher Nähe zu einem Katalysator im Abgassystem 118 angeordnet sein. Für die Ausgestaltung der Steuer- und Auswerteeinheit 114 sei auf die obige Beschreibung verwiesen.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 114 ist über eine Signalleitung 120 mit der Lambdasonde 116 verbunden, beispielsweise über eine serienmäßig vorgegebene Diagnoseschnittstelle eines Kraftfahrzeuges. Auf diese Weise kann die Steuer- und Auswerteeinheit 114 Signale der Lambdasonde 116 empfangen.

Weiterhin ist die Steuer- und Auswerteeinheit 114 über eine Ansteuerleitung 122 direkt oder indirekt mit der Brennkraftmaschine 112 verbunden. Beispielsweise kann diese Ansteuerleitung 122 wiederum eine werkseitig vorgegebene Diagnoseschnittstelle eines Kraftfahrzeugs umfassen. Unter „Leitung" ist hierbei, wie auch im Falle der Signalleitung 120, jede mögliche Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Signal- und/oder Energieübertragung zu verstehen, insbesondere ein- oder mehrkanalige Drahtleitungen oder, alternativ oder zusätzlich, auch Einrichtungen zur drahtlosen Datenübertragung.

Die Brennkraftmaschine 112 kann beispielsweise ein (in Figur 1 nicht dargstelltes) Mo- torsteuerungsgerät umfassen, auf welches über die Ansteuerleitung 122 zugegriffen werden kann. Auf diese Weise kann der Brennkraftmaschine 112 einer der oben beschriebenen Di- agnose-Betriebszustände vorgegeben werden. Auch müssen Signalleitung 120 und Ansteuerleitung 122 nicht notwendigerweise getrennte Leitungen bzw. Schnittstellen sein, sondern es kann sich beispielsweise um eine einzelne Schnittstelle handeln, welche die Steuer- und Auswerteeinheit 114 beispielsweise mit dem Motorsteuerungsgerät der Brennkraftmaschine 112 verbindet.

Zur Diagnose eines Einspritzsystems der Brennkraftmaschine 112 wird mittels der Lambda- sonde 116 der Sauerstoffpartialdruck in einem Abgas 124 in dem Abgassystem 118 unter verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 112 gemessen und in der Steuer- und Auswerteeinheit 114 beispielsweise mit bekannten Werten und Verläufen (hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Sollwert" bezeichnet) verglichen.

Wird aufgrund eines Komponentenfehlers (zum Beispiel durch Drift oder Verschleiß eines Common-Rail-Injektors) beispielsweise bei einem Zylinder der Brennkraftmaschine 112 kein Kraftstoff eingespritzt, so liefert dieser Zylinder anstelle von Verbrennungsabgasen Umgebungsluft in das Abgassystem 118 der Brennkraftmaschine 112. Hierdurch erhöht sich, periodisch mit einer zur Motordrehzahl der Brennkraftmaschine 112 korrelierenden Frequenz, der Sauerstoffpartialdruck im Abgas 124. Diese Erhöhung kann über die Lambdasonde 116 detektiert werden. Durch eine Korrelation dieses periodischen Signals mit der Motordrehzahl (beispielsweise mittels eines oder mehrerer elektronischer oder programmtechnischer Filter in der Steuer- und Auswerteeinheit 114) ist zusätzlich noch eine Plausibilisierung des eigentlichen Nutzsignals mit dem Signal des Drehzahlsensors der Maschine möglich, um Fehlinterpretationen ausschließen zu können.

Wie oben beschrieben, kann die Steuer- und Auswerteeinheit 114 der Brennkraftmaschine gezielt Diagnose-Betriebszustände vorgeben. Beispielsweise können dadurch gezielt bestimmte Teileinspritzungen (Vor-, Haupt-, Nacheinspritzung) auf einem oder mehreren Zy-

lindern eingeschaltet, verändert oder ausgeschaltet werden (zum Beispiel durch Veränderung der elektrischen Ansteuerung der Einspritzventile mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 114). Die hierdurch hervorgerufenen änderungen des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas 124 werden dabei untersucht. Aus diesen Messergebnissen kann ebenfalls eine Aus- sage über das System- oder Komponentenverhalten getroffen werden.

Wie oben beschrieben kann die Vorrichtung 110 dabei als im Kraftfahrzeug integrierte Vorrichtung ausgestaltet sein oder auch als separate, beispielsweise werkstattgebundene Vorrichtung. Die Vorrichtung kann selbst die Lambdasonde 116 als mobile Lambdasonde um- fassen, oder es können auch serienmäßig im Kraftfahrzeug integrierte Lambdasonden genutzt werden.

In den Figuren 2a und 2b sind Beispiele von Signalverläufen bei verschiedenen Betriebsbedingungen dargestellt. In beiden Fällen ist dabei der Quotient aus dem Sauerstoff-(θ2-) Par- tialdruck und dem Gesamtdruck dimensionslos als Funktion der Zeit t in Sekunden aufgetragen.

Figur 2a zeigt einen zeitlichen Verlauf einer normalen Einspritzung auf allen Zylindern der Brennkraftmaschine 112. Dabei wird zum Zeitpunkt 210 durch die Steuer- und Auswerte- einheit 114 über die Ansteuerleitung 122 ein neuer Satz an Betriebsbedingungen für die Brennkraftmaschine 112 vorgegeben. In diesem Fall sind die neuen Betriebsbedingungen derart ausgestaltet, dass die Drehzahl kontinuierlich zu steigern ist. Wie aus Figur 2a hervorgeht, sinkt ab diesem Zeitpunkt 210 aufgrund der Einstellung der Brennkraftmaschine 112 auf die neuen vorgegebenen Betriebsbedingungen der Sauerstoffpartialdruck im Abgas- System 118 kontinuierlich ab, um dann bis zu einem erneuten Umschaltpunkt auf einem niedrigen Niveau zu verbleiben.

In Figur 2b ist hingegen der Signalverlauf dargestellt, bei einer Brennkraftmaschine 112, bei welcher „künstlich" die Einspritzung auf einem Zylinder der Maschine ausgeschaltet wurde. Dies entspricht beispielsweise einer Fehlfunktion der Einspritzeinrichtung dieses Zylinders.

Wie sich aus dem Signalverlauf in Figur 2b ergibt, weist das Signal zwischen den Zeitpunkten 210 und 212 zunächst zwar einen ähnlichen Verlauf auf wie in Figur 2a. Hierbei ist jedoch zunächst festzustellen, dass der Absolutwert der Signale (beispielsweise ein gemittelter Signalverlauf) um einen Wert δC höher liegt als der Signalverlauf bei der normalen Einspritzung gemäß Figur 2a. Dies ist, wie oben beschrieben, darauf zurückzuführen, dass der Zylinder, in welchem keine Einspritzung stattfindet, anstelle von Verbrennungsabgasen Umgebungsluft in das Abgassystem 118 liefert.

Weiterhin sind in dem Signalverlauf zwischen den Zeitpunkten 210 und 212 signifikante Signaloszillationen 214 zu beobachten. Diese Signaloszillationen treten bei dieser Darstellung, in welcher beispielsweise ein Sechszylinder- Viertakt-Motor dargestellt ist, mit halber Motordrehzahl auf. Bei einer unterschiedlichen Taktzahl sind entsprechend andere Vielfache der Motordrehzahl, beispielsweise Oszillationen mit der ganzen Motordrehzahl (bei einem Zweitaktmotor), zu beobachten. Letzteres, also die Korrelation mit der ganzen Motordrehzahl bei Zweitaktmotoren, ist insbesondere im Bereich der Großdieselmotoren, bei welchen häufig nach dem Zweitaktprinzip gearbeitet wird, relevant. Aus der Oszillation und der Kor- relation mit der Motordrehzahl lässt sich beispielsweise die oben beschriebene Plausibilitäts- betrachtung durchführen. Im einfachsten Fall treten dabei die Oszillationen mit einer einzelnen Frequenz auf, in komplexeren Fällen wäre beispielsweise eine Analyse des Frequenzspektrums des „Oszillations"-Signals durchzuführen, beispielsweise eine Fourier-Analyse.

Um die Signaloszillationen 214 optimal beobachten zu können, wird vorzugsweise eine Lambdasonde 116 mit schneller Reaktionszeit eingesetzt. Die in den Figuren 2a und 2b dargestellten Beispiele wurden mit einer Breitbandsonde aufgenommen. Auch andere Sondentypen sind jedoch prinzipiell einsetzbar.

Weiterhin ist, wie in Figur 2b zu erkennen, eine Korrelation zwischen der Amplitude der Signaloszillationen 214 und der Drehzahl der Brennkraftmaschine 112 zu verzeichnen. In diesem Falle, in welchem eine kontinuierliche Drehzahlsteigerung zwischen den Zeitpunkten 210 und 212 dargestellt ist, nehmen die Amplituden der Signaloszillationen 214 mit steigender Drehzahl ab. Auch diese Abnahme kann beispielsweise für eine Plausibilitätsbetrachtung oder für weitere Auswertungen herangezogen werden.