Injektortest und Katalysatordiagnose in einem Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Sensorsignalen und quantitative Ermittlung des stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnisses des

gefahrenen Kraftstoffs mittels Injektortest und Katalysatordiagnose in einem Fahrzeug.

Aktuelle Ottomotorenkonzepte können ihre Potentiale bzgl. Leistung, Verbrauch, Dynamik, aber auch Emissionen nur durch intakte System komponenten entfalten.

Schon kleine Defekte verhindern einen sauberen Motorlauf nachhaltig. Deshalb sind Onboard Diagnosefunktionen, welche auf dem Steuergerät im Fährbetrieb ablaufen, notwendig, um die Komponenten in ihren verschiedenen Betriebsbereichen zu diagnostizieren. Einige solche Diagnosefunktionen sind bereits per Gesetz

vorgeschrieben. Beispielsweise ist bereits eine Onboard Diagnosefunktion zur

Katalysatordiagnose bekannt, die sogenannte OSC-Diagnose. Bei der OSC-Diagnose wird die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC=Oxygen Storage Capacity), also die

Fähigkeit zur Konvertierung von schädlichen Abgasen, bestimmt. Auch sind bereits Injektorenprüfungen für den Service, z.B. in einer Fachwerkstatt, bekannt, bei denen z.B. eine Gemischmassenbilanzierung mittels Lambdasonde durchgeführt wird. Aus der DE102014218430A1 ist ein Verfahren zum verbesserten Injektorentest bei Fahrzeugen bekannt. Hierbei können Einspritzdüsendefekte mit einer Aussage über die Art des Defekts bestimmt werden. Dieses Verfahren wird allerdings nicht als Online-Diagnose ausgeführt, sondern unter vorgegebenen Bedingungen im Leerlauf des Fahrzeugs.

Außerdem könnten aktive Diagnosen wie beim Service, z.B. eine Ansteuerung von Aktoren und Rückmessung der Sensorsignale, während des Fährbetriebs den Kunden während der Fahrt stören oder irritieren. Außerdem sind aktive Diagnosen im Service auf wenige last- und drehzahlarme Betriebspunkte beschränkt, so dass lediglich ein kleiner Bereich des Betriebs des Fahrzeugs abgebildet werden kann und

betriebspunktabhängige Fehler der Hochdruckeinspritzung möglicherweise nicht detektiert werden können.

Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Online-Diagnose von Injektoren bereitzustellen, um sowohl eine Plausibilisierung von Sensorsignalen als auch eine Berechnung kraftstoffspezifischer Kenngrößen bereitzustellen. Diese

Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen

Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Onboard-Diagnose in einem Fahrzeug mit einem Katalysator und einer lambdageregelten Brennkraftmaschine im laufenden Fährbetrieb, wobei dem Katalysator mindestens eine Vorkat-Lambdasonde vorgeschaltet und eine Nachkat-Lambdasonde nachgeschaltet ist. Beide Lambdasonden geben entsprechende Sensorsignale aus, wobei eine Plausibilisierung der Sensorsignale erfolgt, indem mittels einer OSC-Diagnose eine Ermittlung der aktuell maximal möglichen Sauerstoffbeladung des Katalysators sowie einer gemessenen Zeitspanne zwischen Magerdurchbruch der Vorkat-Lambdasonde zur Nachkat-Lambdasonde erfolgt, und mittels eines Injektortests ein theoretischer Restsauerstoffgehalt ermittelt wird. Aus der aktuellen

Sauerstoffbeladung und dem theoretischen Restsauerstoffgehalt wird eine theoretische Zeitspanne zwischen Magerdurchbruch der Vorkat-Lambdasonde zur Nachkat- Lambdasonde wie folgt ermittelt: Attheo = OSC / WIRO2. Wenn der Quotient zwischen gemessener Zeitspanne und theoretischer Zeitspanne innerhalb eines vorgegebenen durch einen ersten und einen zweiten Schwellwert abgegrenzten Bereich liegt, also: SW1 < At/Attheo < SW2, wird bestimmt, dass die Vorkat-Lambdasonde und die Nachkat- Lambdasonde fehlerfrei arbeiten, d.h. kein Eingriff von außen nötig ist.

Das Verfahren wird für Einspritzmotoren, insbesondere im Automobilbereich, eingesetzt. Durch das vorgeschlagene Verfahren kann eine für den Fahrer im

Wesentlichen unmerkliche, präventive Diagnose und Plausibilisierung von

Sensorsignalen im laufenden Fährbetrieb erfolgen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger

Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fiq. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches eine Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung der Überwachung von

Sensorsignalen und zur quantitativen Ermittlung des stöchiometrischen Kraftstoff- Luftverhältnisses des gefahrenen Kraftstoffs mittels Injektortest und

Katalysatordiagnose in einem Fahrzeug verdeutlicht.

In der oben bereits erwähnten DE102014218430A1 wird ein Injektortest vorgestellt, welcher bereits kleine Schäden an Injektoren erkennen kann. Allerdings ist dieses Verfahren für den Service vorgesehen, also nicht zur Online- oder Onboard Diagnose OBD, also einer Diagnose im laufenden Fährbetrieb.

Bei dem vorgeschlagenen Injektortest wird für eine jeweilige Zylinderbank im

Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors eine Anzahl von aufeinander folgenden Testschritten ausgeführt, welche größer als die Anzahl der Zylinder der jeweiligen Zylinderbank ist, wobei in einem jeweiligen Testschritt für die einzelnen Einspritzdüsen Gemischfaktoren eingestellt sind, welche jeweils den durch die einzelne Einspritzdüse bei deren Ansteuerung generierten Kraftstoffmassenstrom festlegen. Für zumindest manche aufeinander folgenden Testschritte werden ein oder mehrere Gemischfaktoren von einem Testschritt zum nächsten verändert. Und während der Testschritte werden Messungen des Lambdawerts des von der Zylinderbank abgeführten Abgasstroms und Messungen des der Zylinderbank zugeführten Luftmassenstroms durchgeführt. Nach Durchführung der Anzahl von Testschritten werden ein Normabweichungswert für jede Einspritzdüse sowie ein Gesamt-Leckagestrom ermittelt, wobei der Normabweichungs- Wert für eine jeweilige Einspritzdüse eine Abweichung des durch die jeweilige

Einspritzdüse erzeugten Kraftstoffmassenstroms von einem Normbetriebswert der jeweiligen Einspritzdüse beschreibt und der Gesamt-Leckagestrom den

Kraftstoffmassenstrom beschreibt, der durch Leckagen aller Einspritzdüsen der jeweiligen Zylinderbank verursacht ist. Die Ermittlung der Normabweichungswerte für die jeweiligen Einspritzdüsen und des Gesamt-Leckagestroms erfolgt derart, dass ein Gleichungssystem rechnergestützt gelöst wird, welches für einen jeweiligen Testschritt eine Gleichung umfasst, welche die Normabweichungswerte und den Gesamt- Leckagestrom in Abhängigkeit von den im jeweiligen Testschritt eingestellten

Gemischfaktoren, einem für den jeweiligen Testschritt gültigen und aus den Messungen des Lambdawerts abgeleiteten Lambdawert und einem für den jeweiligen Testschritt gültigen und aus den Messungen des Luftmassenstroms abgeleiteten Luftmassenstrom beschreibt. Im Falle, dass zumindest ein Normabweichungswert für eine jeweilige Einspritzdüse außerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegt, wird ein erster Einspritzdüsendefekt in der jeweiligen Zylinderbank in der Form einer Abweichung bei der Einspritzmenge zumindest einer Einspritzdüse detektiert. Im Falle, dass der Gesamt-Leckagestrom größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, wird ein zweiter Einspritzdüsendefekt in der jeweiligen Zylinderbank in der Form einer Leckage zumindest einer Einspritzdüse detektiert.

Da in der gesetzesrelevanten und bereits bekannten OSC-Diagnose Veränderungen im Kraftstoffgemisch gemessen werden, erfolgt erfindungsgemäß eine Kopplung der Ausführung von Vertrimmungsschritten des Injektortests an die OSC-Diagnose, deren Grundprinzip nachfolgend kurz erläutert wird. Die OSC-Diagnose wird im Fährbetrieb ausgeführt und benutzt die gezielte Vertrimmung der Einspritzmengen gv

(=Gemischvertrimmung), also Veränderung der Kraftstoffmassen pik je Zylinder, um Fett-/Magersprünge im Abgas zu provozieren. Die genannten Fett-/Magersprünge verändern die Zusammensetzung des Abgases und damit den mit der Lambdasonde messbaren Restsauerstoffgehalt. Diese Änderung kann mit Hilfe von Lambdasonden aufgenommen und ausgewertet werden, wobei zuerst die Vor-Kat-Lambdasonde eine Veränderung im Kraftstoffgemisch misst, und dann das Abgas den Katalysator durchfließt und die Nach-Kat-Lambdasonde flussabwärts erreicht. Die Zeit zwischen den gemessenen Veränderungen im Kraftstoffgemisch wird genutzt, um bei definiertem Magersprung eine Totzeit zwischen Vor-Kat- und Nach-Kat-Lambdasonde aufzuzeigen. Die Totzeit korreliert mit der Fähigkeit des Katalysators, Sauerstoffmoleküle

einzuspeichern (OSC) und für die Abgaskonvertierung bereitzustellen. Auf das Ergebnis der OSC-Diagnose kann im Fehlerfall als Fehlerspeicher und Fehleranzeige getriggert werden.

Um die beiden Verfahren so miteinander zu kombinieren, dass die Diagnose für den Fahrer im laufenden Fährbetrieb möglichst unmerklich erfolgt, werden

Randbedingungen RB vorgegeben, welche erfüllt werden müssen, um den Injektortest während des Fährbetriebs zu starten. Solche Randbedingungen RB können eine kontinuierliche Fahraufgabe, ein Leerlauf oder ein Stand des Fahrzeugs sein, d.h. das Fahrzeug befindet sich für einen vorbestimmten Zeitraum in einem bestimmten

Fahrmodus, z.B. einer ruhigen Fahrt ohne starke Beschleunigung oder starkes

Abbremsen. Dies kann durch im Fahrzeug vorhandene Systeme bestimmt oder vorhergesagt werden, je nach Ausstattung des Fahrzeugs. Somit kann eine Auswertung direkt im Fahrzeug erfolgen und Unregelmäßigkeiten z.B. nicht plausible Zustände rechtzeitig vor dem Ausfall einer Komponente erkannt werden.

Erfindungsgemäß wird während des Fährbetriebs die OSC-Diagnose und der

Injektortest gemeinsam durchgeführt, wobei eine gleichzeitige Nutzung von gleichen Vertrimmungen des Kraftstoffgemischs der Zylinder erfolgt. Dabei ermittelt die OSC- Diagnose eine Zeitspanne At bis ein magerer Durchbruch des Sauerstoffs von AvorKat auch in ANachKat zu sehen ist, was mit den beiden Lambdasonden vor und nach dem Katalysator, beginnend im unbeladenen Zustand, gemessen wird. Die OSC-Diagnose ermittelt damit auch eine gemessene Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC. Der Injektortest ermittelt für die vorliegende Erfindung den theoretischen Restsauerstoffgehalt r R02 als Funktion der Gemischqualität unter der Annahme, dass Averbrennung = AvorKat, sowie dem Luftmassenstrom mshfm. Der theoretische Restsauerstoffgehalt r R02 ist eine Funktion der chemischen Umsatzqualität und kann aus Tabellenbüchern für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen entnommen werden.

Für die erfindungsgemäße Plausibilisierung der Sensorsignale werden Größen aus dem weiter oben und in der DE102014218430A1 beschriebenen Injektortest und der OSC- Diagnose verglichen. Dabei sind die Anzahl der Zylinder Anz und der sogenannte Cylinder-Balancing-Faktor cb, welcher ein prozentualer Anpassungsfaktor des

Kraftstoffstroms ist, bekannt.

Aus dem Injektortest werden die nachfolgenden Größen verwendet:

Eingangsgrößen (im Steuergerät bzw. der Steuereinrichtung gemessen oder gerechnet):

- gvi eingestellte Gemischfaktoren pro Testschritt i,

- Avor, Lambdawert vor dem Katalysator,

- mshfm einer Zylinderbank zugeführter Luftmassenstrom, z.B.

gemessen durch einen Heißfilmluftmassenmesser auch bezeichnet als m _L

gewünschter Lambdawert der Kraftstoffverbrennung in der Brennkammer, bekannt aus der Betriebsstrategie des Steuergeräts

Lst stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis.

Berechnete Ausgangsgrößen:

Oi Normabweichungswert für eine jeweilige Einspritzdüse,

Lo, sum Gesamt-Leckagestrom aller Einspritzdüsen der getesteten

Zylinderbank.

Aus dem Injektortest wird gemäß der nachfolgenden Formel nachfolgende Beziehung klar: Aus dieser Beziehung kann insbesondere der Injektorfehler Oi bestimmt werden.

Aus der OSC-Diagnose werden die nachfolgenden Größen verwendet:

Eingangsgrößen (im Steuergerät bzw. der Steuereinrichtung gemessen oder

gerechnet):

- gvi eingestellte Gemischfaktoren pro Testschritt,

- Avor Lambdawert vor dem Katalysator,

- ANach Lambdawert nach dem Katalysator.

Ausgangsgrößen (berechnet):

- At Zeit(spanne) zwischen Magerdurchbruch von Avor zu ANach,

- OSC gemessene Sauerstoffspeicherfähigkeit.

Mit Hilfe des theoretischen Restsauerstoffgehalts rüR02 aus dem Injektortest und des gemessenen OSC-Werts aus der OSC-Diagnose kann ein theoretischer Attheo Wert ermittelt werden: Attheo = OSC / rÜR02.

Aus dem Vergleich von in der OSC-Diagnose gemessenem At und gerechnetem Attheo wird eine Plausibilisierung der Messgrößen gegeneinander ermöglicht.

Das heißt, wenn das gemessene At und das theoretische Attheo innerhalb vorgegebener Schwellwerte SW1 und SW2 liegen, können die Sensoren als funktionsfähig bzw. nicht

At

fehlerbehaftet bewertet werden: SW1 < - < SW2. Somit ist kein Eingriff wie ein

Attheo

Austausch von Komponenten, nötig.

Vorteilhaft sollte ^At bei 1 ± 0,03 bis 0,05 liegen, d.h. dass SW1 zwischen

Attheo

(einschließlich) 0,95 und 0,97 und SW2 zwischen (einschließlich) 1 ,03 und 1 ,05 liegen sollte.

Wenn der Quotient nicht innerhalb der vorgegebene Schwellwerte liegt, muss geprüft werden, ob z.B. Averbrennung F AvorKat , d.h. dass eine oder beide der Lambda-Sonden beschädigt ist. Wenn der Luftmassenstrom mshfm ungenau gemessen ist, kann der Sensor beschädigt sein.

Außerdem kann im Falle, dass die Sensorsignale für nicht fehlerbehaftet angesehen werden, also Lambda-Sensoren und Luftmassenwert ok in Figur 1 , eine Ermittlung, genauer quantitative Bestimmung, kraftstoffspezifischer Kenngrößen erfolgen.

Aus dem gemessenen At und OSC Werten kann über die Beziehung

rÜR02 = OSC / At

der theoretische Luftsauerstoffgehalt

7TIR02 = f(mshfm, Averbrennung) ermittelt werden,

Wobei Averbrennung ^s AvorKat .

Aus dem Injektortest kann eine Ermittlung von Averbrennung aus r R02 und mshfm- Luftmasse erfolgen:

Averbrennung ⁼ mshfm / (Lst ^* ΐϊΐk), Wobei die Kraftstoff masse pik wie folgt ermittelt wird:

7TIK = f(Einspritzungsparametern aus Steuergerät bzw. Steuereinrichtung).

Dabei ist pik der durch Leckagen und die Nutzmasse aller Einspritzdüsen der jeweiligen Zylinderbank verursachte tatsächliche Kraftstoffmassenstrom. Dieser kann während des Injektortests berechnet werden.

Daraus wiederum kann das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis berechnet werden:

Es kann also durch vorhandene, bekannte oder aus bestimmten Diagnoseverfahren oder Tests ermittelte Beziehungen das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis Lst quantitativ bestimmt werden. Dieses ist für die Vorsteuerung des in den Injektor zugeführten Gemischs wichtig und notwendig.