DE102008027895B4

DE102008027895B4 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten

Info

Publication number: DE102008027895B4
Application number: DE200810027895
Authority: DE
Inventors: Tino Marzinkowski
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: DE102008027895A1

Abstract

Schaltungsanordnung (L-FST) zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten (MSG), welche zwischen den Eingängen eines Motorsteuergerätes (MSG) und wenigstens einer Breitband-Lambdasonde angeordnet ist, wobei an einem ersten Eingang der Schaltungsanordnung (L-FST) an wenigstens zwei Klemmen (A₃, A₄) Signale der Breitband-Lambdasonde anliegen und Klemmen (A₁, A₂) wenigstens eines ersten Ausgangs der Schaltungsanordnung (L-FST) mit einem ersten Eingang des Motorsteuergerätes (MSG) verbunden sind und weiterhin die Spannung (U_Nernst) einer zwischen einer Messzelle und einer Luftreferenz liegenden Nernstzelle an einem zweiten Eingang des Motorsteuergerätes (MSG) anliegt, wobei mit einer in der Schaltungsanordnung (L-FST) angeordneten regelbaren Stromquelle (S₁) ein Pumpstrom (I_pump2), welcher einer Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde zugeführt wird, manipulierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten für Verbrennungsmotoren.
Steuergeräte technischer Anlagen und insbesondere Steuergeräte für Verbrennungsmotoren werden vor und in ihrem Einsatz zu Wartungs- und Reparaturzwecken hinsichtlich ihrer Funktionalität geprüft. Hierbei stellt die gezielte Simulation von Fehlerzuständen einen Teil der Funktionsprüfung dar. Sowohl Diagnosefunktionen, als auch generell das Verhalten der Anlagen im Fehlerfall werden durch die Simulation von Fehlerzuständen getestet. Für die Steuerung und Regelung verschiedenster Funktionen sind Steuergeräte mit Aktoren und Sensoren verbunden, wobei letztere messtechnisch den Zustand der Anlage erfassen und hinsichtlich ihrer Funktion überwachen. Um Fehlerzustände von Sensoren zu generieren, ist es möglich, fehlerhafte Sensoren mit einer gewünscht abweichenden Charakteristik an das Steuergerät anzuschließen. Sensoren können hierbei jedoch verschiedenste Fehler in unterschiedlichen Ausprägungen aufweisen. Für die Simulation verschiedener Fehler muss hierbei jeweils ein entsprechend manipulierter Sensor zur Verfügung stehen. Ein Beispiel für derartige Sensoren sind Lambdasonden für die Gemischregelung von Verbrennungsmotoren. Diese können verschiedenste Fehlerzustände aufweisen. Die Fehlerzustände reichen dabei vom völligen Ausfall der Sonde hin zu alterungsbedingten Abweichungen der Normalkennlinie. Typische Fehlerzustände sind alterungsbedingte Signalverzögerungen oder Kennlinienverschiebungen. Für eine Fehlersimulation verschiedener Alterungsstufen müsste eine Vielzahl von Sonden vorgehalten werden. Weiterhin ist bei einem solchen Vorgehen der Ein- u. Ausbau der manipulierten Sensoren aufwändig.
Vorbekannt sind Systeme zum automatischen Generieren von Testmustern, wie sie insbesondere bei Diagnosetestern im Automobilbereich eingesetzt werden. Ein Beispiel für ein solches Verfahren zeigt die DE 10 2006 024 606 A1 . Hierbei werden über eine Datenschnittstelle die Dateninhalte auf einem Fahrzeugbus manipuliert.
Aus der Patentschrift DE 100 25 578 C2 ist eine Prüf- und Kalibriervorrichtung für eine Auswerteschaltung einer linearen Lambdasonde bekannt, bei der eine Sondenersatzschaltung weitgehend das elektrische und chemische Verhalten einer Lambdasonde nachbildet. Hierbei wird keine reale Lambdasonde genutzt, sondern die Ersatzschaltung anstelle der eigentlichen Lambdasonde genutzt. Es erfolgt zur Prüfung der Auswerteschaltung eine Manipulation des Pumpstromes, in der der Auswerteschaltung angeschlossenen Ersatzschaltung. Eine Manipulation des Pumpstromes einer angeschlossenen Lambdasonde erfolgt nicht.
Weiterhin ist aus der DE 10 2006 008 539 A1 eine Schaltungsanordnung zur Fehlersimulation vorbekannt, bei welcher über einen Multiplexer eine Fehlersimulationsschaltung an die entsprechenden Pins eines Steuergerätes angelegt wird.
Die Schaltungen sind zur Simulation von Sonden, die analoge Signalwerte ausgeben, nur bedingt geeignet. Weiterhin ist die Generierung verschiedener Fehlerbilder nur eingeschränkt möglich. Das Sensorsignal eines korrekt arbeitenden Sensors kann nicht parallel betrachtet werden und ein paralleles Betreiben des Sensors bei gleichzeitiger Simulation eines Fehlers ist nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist daher, die Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und ein Verfahren bzw. eine Schaltungsanordnung zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten anzugeben, wobei das ursprüngliche Sensorsignal erhalten bleibt bzw. rekonstruierbar ist und dem Steuergerät gleichzeitig ein simuliertes Fehlersignal angeschalten wird.
Die Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Merkmale des Patentanspruches 1 und mit einem Verfahren mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
Erfindungsgemäß vorteilhaft ist die Schaltungsanordnung zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten zwischen dem Eingang eines Motorsteuergerätes und wenigstens einer Breitband-Lambdasonde angeordnet. Lambdasonden werden gemäß ihrer Bauform bzw. Funktionsweise in Sprungsonden und stetige Lambdasonden unterschieden. Stetige Lambdasonden generieren dabei ein über den Verlauf von Lambda weitgehend stetigen Verlauf ihrer Ausgangsspannung. Diese Bauform wird auch als Breitband-Lambdasonde bezeichnet. Sie zeichnet sich durch eine indirekte Lambdaermittlung aus, bei welcher der Pumpstrom zu einer Pumpzelle der Sonde zur Ermittlung des Lambdawertes genutzt wird. Der Schaltungsanordnung liegt dabei an wenigstens zwei Klemmen von derem Eingang das Signal der Breitband-Lambdasonde an, wobei die Klemmen wenigstens eines Ausgangs der Schaltungsanordnung mit dem Motorsteuergerät verbunden sind. Weiterhin wird die Nernstspannung einer Messzelle, welche zwischen einer Messkammer und einer Luftreferenz liegt, dem Eingang des Motorsteuergerätes angeschalten. Das Spannungssignal kann dabei der Schaltungsanordnung anliegen und über diese dem Motorsteuergerät angeschalten werden. in der Schaltungsanordnung ist eine regelbare Stromquelle angeordnet, welche den Pumpstrom, der einer Pumpzelle der Breitbandlambdasonde zugeführt wird, manipuliert. Erfindungsgemäß vorteilhaft verändert sich durch die Manipulation des Pumpstromes die zum Motorsteuergerät rückgeführte Nernstspannung, da sich der Lambdawert in der Messkammer verändert. Als Reaktion hierauf wird der Pumpstromregler den vom Motorsteuergerät erzeugten Pumpstrom anpassen, auf welchem die Berechnung des Lambdawertes im Steuergerät basiert. Somit wird durch die Pumpstrommanipulation mit Hilfe der Schaltungsanordnung dem Motorsteuergerät ein vom realen Messwert im Abgas abweichender Lambdawert vorgegeben. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt an den Klemmen des Eingangs der Schaltungsanordnung weiterhin die Nernstspannung U_nernst der Nernstzelle an und wird zu Klemmen des Ausgangs der Schaltungsanordnung, an denen der Eingang des Steuergerätes anliegt, weitergeleitet, wobei die regelbare Stromquelle parallel zu der zwischen den Eingängen der Schaltungsanordnung liegenden Pumpzelle angeordnet ist. Diese Anordnung der Stromquelle erlaubt eine Manipulation des Pumpstromes für die Pumpzelle zusätzlich zu dem durch das Motorsteuergerät erzeugten Pumpstrom.
Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die Schaltungsanordnung zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten so betrieben, dass zusätzlich zu dem im Steuergerät vorhandenen Regler zum Erzeugen eines Pumpstromes der durch die Pumpzelle fließende Strom durch eine regelbare Stromquelle der Schaltungsanordnung manipuliert wird. Das Verfahren nutzt dabei die oben beschriebene Reaktion des Pumpstromreglers auf die Pumpstromveränderung. Die parallel zur Pumpzelle liegende regelbare Stromquelle prägt dabei einen Strom ein, welcher abhängig von Stromstärke und Stromrichtung den vom Motorsteuergerät erzeugten Pumpstrom manipuliert und damit den der Pumpzelle real zugeführten Pumpstrom erhöht oder verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren berechnet dabei den zum Zeitpunkt (n) durch die regelbare Stromquelle eingeprägten Strom (I_3(n)) aus I_3(n) = I_1soll – I_pump2 + I_3(n-1). Basierend auf dem Wert des Stromes I_3(n-1) der regelbaren Stromquelle zum vorherigen Zeitpunkt n – 1 und eines Sollwertes I_1soll des vom Motorsteuergerät ausgewerteten Stromes I₁ wird mit dem aktuellen Pumpstrom I_pump2 der Wert für den durch die Stromquelle einzuprägenden Strom (I_3(n)) nach o. g. Gleichung berechnet. Da in der Schaltungsanordnung die Ströme der einzelnen Stränge am Ausgang der Schaltungsanordnung gemessen werden und sich der zur Sonde geführte Pumpstrom I_pump2 ohne Manipulation durch die regelbare Stromquelle aus I_pump2 = I₁ + I₂ ergibt, wird mit den vorliegenden Messwerten für I₁ und I₂ ausgehend von dem gewünschten, durch das Motorsteuergerät auszuwertenden Sollwert I_1soll der Wert für den durch die regelbare Stromquelle einzuprägenden Strom gemäß I_3(n) = I_1soll – I₁ – I₂ + I_3(n-1) berechnet.
Erfindungsgemäß vorteilhaft kann der Wert für den Strom I₁, der ohne Beeinflussung durch die Stromquelle als Strom I_{1_unbeeinflusst} am Eingang des Steuergerätes anliegen würde auch bei Manipulation durch die Stromquelle ermittelt werden. Es ist damit möglich, die Reaktion des Motorsteuergerätes zu prüfen, da sowohl der manipulierte Stromwert und damit der durch das Motorsteuergerät verarbeitete Lambdawert, als auch der im realen Betrieb vorliegende Lambdawert ohne Manipulation gleichzeitig auswertbar vorliegen. I_{1_unbeeinflusst} berechnet sich dabei aus I_{1_unbeeinflusst} = (I₁ + I₂ + I₃)·(I₁/(I₁ + I₂)) oder alternativ mit einem aus vorher ermittelten Werten berechneten Faktor F zu I_{1_unbeeinflusst} = (I₁ + I₂ + I₃)·(F) oder alternativ mit dem Verhältnis der Widerstandskombination von Breitbandlambdasonde und Stromteiler am Motorsteuergeräteeingang zu I_{1_unbeeinflusst} = (I₁ + I₂ + I₃)·R₂ + R_comp)/(R₁ + R₂ + R_comp).
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist im aktiven Betrieb des Steuergerätes verwendbar und in der Lage, während der laufenden Lambdaregelung, im Betrieb des Motors das Originalsignal zu manipulieren. Weiterhin ist es möglich, das manipulierte Signal in Abhängigkeit vom real gemessenen Signal der Sonde zu manipulieren, beispielsweise eine prozentuale Abschwächung des Originalsignals vorzunehmen. Insbesondere im Regelkreis zur Lambdaregelung von Verbrennungsmaschinen, welcher in der Regel ein periodisch um einen Mittelwert schwingendes Sondensignal aufweist, ist es für die Simulation verschiedener Fehlerzustände notwendig, das manipulierte Signal auf Basis des Sondensignals zu bestimmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Die Figur zeigt eine Prinzipdarstellung einer Schaltungsanordnung L-FST zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten MSG. Der Schaltungsanordnung L-FST liegt an zwei Klemmen A₃ und A₄ ihres Eingangs das Signal einer Breitband-Lambdasonde an. Zwei Klemmen A₂ und A₁ des Ausgangs der Schaltungsanordnung L-FST sind mit dem Eingang eines Motorsteuergerätes MSG verbunden. Dargestellt ist hierbei eine mögliche Eingangsbeschaltung des Motorsteuergerätes MSG, bei welcher über einen durch Widerstände R₁ und R₂ gebildeten Stromteiler die Potentialdifferenz der mit ϕ₁ und ϕ_pump1 bezeichneten Potentiale in dem parallel zu R₁ liegenden Operationsverstärker OV ausgewertet wird. Die Eingangsbeschaltung variiert bei verschiedenen Steuergeräte- und Sondentypen, wobei insbesondere die Widerstände R₁ und R₂ unterschiedlich sein können. Das Motorsteuergerät MSG weist weiterhin einen vereinfacht dargestellten Regler zur Einstellung des Pumpstromes I_pump1 auf. Breitbandlambdasonden weisen zusätzlich zur Nernstzelle für die Messung des Reststauerstoffes eine Pumpzelle auf, welche über den Pumpstrom I_pump2 gesteuert das Luft-/Kraftstoffverhältnis Lambda in der zwischen Nernst- und Pumpzelle liegenden Messkammer auf dem Wert 1 hält. Aus der Stromrichtung und Intensität des vom Motorsteuergerät vorgegebenen Pumpstromes I_pump1 wird indirekt das Verbrennungsluftverhältnis an der Messstelle bestimmt. Pumpzelle und Nernstzelle grenzen dabei an eine Messkammer, wobei die Pumpzelle an ihrer der Messkammer abgewandten Seite mit dem zu messenden Abgas in Berührung steht und die Nernstzelle mit der von der Messkammer abgewandten Seite mit einer Luftreferenz in Verbindung steht. Durch die Größe des Pumpstromes I_pump2 wird der Lambdawert in der Messkammer auf einen Wert Lambda = 1 eingestellt. Hierfür wird die Spannung über der Nernstzelle überwacht. Der Spannungswert der Nernstzelle U_Nernst wird dabei einem Regler im Steuergerät als Messgröße rückgeführt, welcher auf Basis der gemessenen Nernstspannung den Pumpstrom I_Pump1 so einstellt, dass der zu Lambda = 1 äquivalente Spannungswert erreicht wird. Für die Einstellung des Pumpstromes I_pump1 wird dabei das Signal der Messzelle (Nernstzelle) über die Klemmen A₅ und A₆ des Eingangs der Schaltungsanordnung L-FST auf die Klemmen A₉ und A₈ von deren Ausgang zum Eingang des Motorsteuergerätes MSG durchgeschliffen. Die Potentialdifferenz U_Nernst wird ausgewertet und auf Basis dieser die Stromquelle zum Generieren eines entsprechenden Pumpstromes I_pump1 angesteuert.
Die Schaltungsanordnung L-FST zur Funktionsprüfung des Motorsteuergerätes wird zwischen Sonde und Motorsteuergerät MSG angeordnet, wobei dem Motorsteuergerät MSG gezielt modifizierte Signale der Breitband-Lambdasonde vorgegeben werden, um dessen Funktion zu überprüfen. Hierbei sollen weitere Parameter des Steuergerätes MSG als auch der Sonde nur minimal beeinflusst werden, woraus sich neben der geforderten Modifikation der Signalpegel bzw. dem Strom am Eingang des Steuergerätes eine Reihe von Randbedingungen ergeben, welche durch die Schaltungsanordnung L-FST erfüllt werden müssen. Für den Funktionstest des Steuergerätes MSG soll insbesondere der Originalwert des Stromes am Eingang des Steuergerätes I₁ während der Manipulation erfasst werden. Die Potentiale am Eingang ϕ₁, ϕ₂ und das Potential zwischen den Widerständen R₁, R₂ des Stromteilers ϕ_Pump1 dürfen sich nur in geringen Grenzen ändern, da sie auf Über- bzw. Unterspannung überwacht werden.
Die Widerstandswerte R₁ und R₂ sind aus der bekannten Steuergeräte- und Sondenkombination herleitbar oder werden in einer weiterführenden Ausgestaltung durch eine Messung seitens der Schaltungsanordnung L-FST ermittelt.
Die Schaltungsanordnung eignet sich sowohl für das Bereitstellen von in ihrem Wert modifizierten Sondenmesswerten, als auch für die Vorgabe zeitverzögerter, gefilterter oder mit anderen Echtzeitalgorithmen gewonnener Signale des Originalmesswertes der Sonde. Die Manipulation des Sondensignals mittels einzelner oder kombinierter Algorithmen der weitergegebenen Signale ist insbesondere für die Fehlersimulation von gealterten und defekten Lambdasonden notwendig, die ein unterschiedliches Signalverhalten aufweisen können. Das Originalsignal wird hierfür zeitverzögert um n Takte an die Ausgangsklemme weitergegeben, wobei über die Regelung der Stromquelle S₁ die Anzahl n der zu verzögernden Takte einstellbar ist.

Claims

Schaltungsanordnung (L-FST) zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten (MSG), welche zwischen den Eingängen eines Motorsteuergerätes (MSG) und wenigstens einer Breitband-Lambdasonde angeordnet ist, wobei an einem ersten Eingang der Schaltungsanordnung (L-FST) an wenigstens zwei Klemmen (A₃, A₄) Signale der Breitband-Lambdasonde anliegen und Klemmen (A₁, A₂) wenigstens eines ersten Ausgangs der Schaltungsanordnung (L-FST) mit einem ersten Eingang des Motorsteuergerätes (MSG) verbunden sind und weiterhin die Spannung (U_Nernst) einer zwischen einer Messzelle und einer Luftreferenz liegenden Nernstzelle an einem zweiten Eingang des Motorsteuergerätes (MSG) anliegt, wobei mit einer in der Schaltungsanordnung (L-FST) angeordneten regelbaren Stromquelle (S₁) ein Pumpstrom (I_pump2), welcher einer Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde zugeführt wird, manipulierbar ist.
Schaltungsanordnung (L-FST) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Klemmen (A₅, A₆) eines zweiten Eingangs der Schaltungsanordnung (L-FST) die Nernstspannung (U_Nernst) der Messzelle anliegt und zu Klemmen (A₈, A₉) eines zweiten Ausgangs der Schaltungsanordnung (L-FST) weitergeleitet wird, welche dem zweiten Eingang des Motorsteuergerätes (MSG) anliegen, wobei die regelbare Stromquelle (S₁) parallel zu der zwischen einer Klemme (A₄) des ersten Eingangs und einer Klemme (A₅) des zweiten Eingangs der Schaltungsanordnung (L-FST) liegenden Pumpzelle angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (L-FST) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang des Motorsteuergerätes (MSG) einen Stromteiler mit zwei Widerständen R₁ und R₂ aufweist, wobei der Widerstand R2 den Wert 0 annehmen kann.
Schaltungsanordnung (L-FST) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Eingang der Schaltungsanordnung (L-FST) ein Widerstand (R_Comp) der Breitband-Lambdasonde angeschalten ist.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (L-FST) zur Funktionsprüfung von Motorsteuergeräten (MSG), welche zwischen den Eingängen eines Motorsteuergerätes (MSG) und einer Breitband-Lambdasonde angeordnet ist, wobei das Motorsteuergerät (MSG) einen Pumpstromregler zum Erzeugen eines ersten Pumpstromes (I_pump1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der durch eine Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde fließende zweite Pumpstrom (I_pump2) durch die Schaltungsanordnung (L-FST) manipuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulation des durch die Pumpzelle fließenden zweiten Pumpstromes (I_pump2) durch eine regelbare Stromquelle (S₁) der Schaltungsanordnung (L-FST) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zur Pumpzelle liegende regelbare Stromquelle (S₁) einen Strom einprägt, welcher abhängig von Stromstärke und Stromrichtung den ersten Pumpstrom (I_pump1) erhöht oder verringert und damit einen manipulierten, der Pumpzelle zugeführten zweiten Pumpstrom (I_pump2) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U_Nernst) über einer Messzelle der Breitband-Lambdasonde als Messgröße dem Pumpstromregler des Motorsteuergerätes (MSG) anliegt, welcher auf Basis der gemessenen Spannung (U_Nernst) eine Anpassung des vom Motorsteuergerät (MSG) erzeugten ersten Pumpstromes (I_pump1) bewirkt, so dass durch den von der Stromquelle (S₁) eingeprägten Strom eine Änderung des ersten Pumpstromes (I_pump1) bewirkt wird, der Basis für den vom Motorsteuergerät (MSG) ermittelten Lambdawert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Stromquelle (S₁) zum Zeitpunkt n eingeprägte Strom I_3(n) sich aus I_3(n) = I_1soll – I₁ – I₂ + I_3(n-1) ergibt, wobei I_1soll der Sollwert des Stromes I₁ ist, der manipuliert dem Motorsteuergerät (MSG) anliegen soll, die Ströme I₁ und I₂ gemessene Ströme an Klemmen (A₁, A₂) eines ersten Ausgangs der Schaltungsanordnung (L-FST) sind und der Strom I_3(n-1) der durch die Stromquelle (S₁) zum vorherigen Zeitpunkt n – 1 eingeprägte Strom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für den Strom I₁, der ohne Beeinflussung durch die Stromquelle (S₁) als Strom I_{1_unbeeinflusst} an einem ersten Eingang des Motorsteuergerätes (MSG) anliegen würde, durch I_{1_unbeeinflusst} = (I₁ + I₂ + I₃)·(I₁/(I₁ + I₂)) oder alternativ mit einem aus vorher ermittelten Werten berechneten Faktor (F) zu I_{1_unbeeinflusst} = (I₁ + I₂ + I₃)·(F) oder alternativ mit dem Verhältnis der Widerstandskombination von Breitbandlambdasonde und Stromteiler am Motorsteuergeräteeingang zu I_{1_unbeeinflusst} = (I₁ + I₂ + I₃)·(R₂ + R_comp)/(R₁ + R₂ + R_comp) berechnet wird.