DE102008043407B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Manipulationen an Lambdasonden - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erkennung von Manipulationen an Lambdasonden (100), gekennzeichnet durch folgende Schritte:- die Lambdasonde (100) wird durch wenigstens ein elektrisches Anregungssignal (210; 310; 410; 510) angeregt;- wenigstens ein elektrisches Antwortsignal (ΔU) der Sonde (100) wird erfasst;- das wenigstens eine elektrische Antwortsignal (ΔU) wird mit wenigstens einem vorgegebenen eine unmanipulierte Sonde (100) charakterisierenden elektrischen Antwortsignal verglichen;- die Abweichung des erfassten wenigstens einen elektrischen Antwortsignals (ΔU) von dem wenigstens einen vorgegebenen elektrischen Antwortsignal wird zur Erkennung einer Manipulation der Sonde (100) herangezogen, wobei das elektrische Anregungssignal (210; 310; 410; 510) eine sprungförmige elektrische Anregung der Sonde (100) ist, wobei das elektrische Anregungssignal (210; 310; 410; 510) ein Strompuls, mit dem die Sonde (100) beaufschlagt wird, ist, wobei als elektrisches Antwortsignal eine Änderung (ΔU) der über der Sonde abgreifbare Sondenspannung (U) ausgewertet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Manipulationen an Lambdasonden in einer Brennkraftmaschine.
- Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
- Stand der Technik
- Die Funktionsfähigkeit von Lambdasonden bei Brennkraftmaschinen als Teil des Abgasreinigungssystems muss im Rahmen der On-Board-Diagnose (OBD) geprüft werden. Hierunter fällt auch die Prüfung von Manipulationen an Lambdasonden, welche die Sondendynamik beeinflussen. Zur Erkennung einer reduzierten Lambdasondendynamik ist es heute üblich, in Motorsteuerungssystemen eine Reaktion der Sonde auf eine Lambdaänderung auszuwerten. Hierzu wird beispielsweise eine sprungförmige Lambdaänderung, z.B. beim Übergang von einem fetten zu einem mageren Abgasgemisch bei einer Schubabschaltung, herangezogen. Ein sprungförmiger Lambdaverlauf hätte bei einer fehlerfreien Lambdasonde einen näherungsweise sprungförmigen Verlauf des Sondensignals zur Folge. Abweichungen von diesem Verlauf, beispielsweise eine Verzögerung oder eine Verschleifung des Sondensignals deuten dagegen auf eine reduzierte Sondendynamik hin. In der Praxis ist jedoch ein sprungförmiger Verlauf der Luftzahl Lambda, z.B. stromabwärts eines Katalysators, im Allgemeinen nicht gegeben. Vielmehr weist bereits der Lambdaverlauf ein unbekanntes, mehr oder weniger verschliffenes Profil auf, das sich auf die Reaktion der Sonde auswirkt. Aus diesem Grunde können durch diese Prüfverfahren nur vergleichsweise lange Verzögerungen, die etwa im Bereich von einigen 100 ms liegen, im Sondensignalverlauf erkannt werden. Kürzere Verzögerungen können dagegen nicht eindeutig auf eine reduzierte Sondendynamik zurückgeführt werden.
- Eine hinreichend gute Sondendynamik ist nun eine wesentliche Voraussetzung für eine optimale Reinigung des Abgases. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, elektrische Manipulationen an einer beliebigen Stelle im Signalkreis zwischen dem Sensorelement der Lambdasonde und beispielsweise einem Analog-Digital-Wandler (ADC - Analog-Digital-Converter) im Steuergerät, die zu einer Verzögerung oder Verschleifung des Sondensignals führen, zu erkennen. Dabei sollen wesentlich kürzere Verzögerungszeiten als mit den bisherigen Methoden zuverlässig erkannt werden.
- Die
DE 44 35 801 A1 bezieht sich auf ein Gerät zur Funktionsdiagnose der Lambdasonden-Regelung bei Verbrennungsmotoren durch Auswertung eines von der Motorsteuerung ausgegebenen Diagnosesignals in der Form von Rechteckimpulsen. - Die
DE 10 2005 024 872 A1 offenbart, dass ein Abgaskatalysator mit Sauerstoff beladen wird, bis er zumindest stromaufwärts einer Abgassonde gesättigt ist. Ein vorgegebenes erstes fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis (LAM1_SP) wird in einem Brennraum eines Zylinders eingestellt. Ein erster Sauerstoffspeicherkapazitätswert (OSC1) wird ermittelt, abhängig von dem Messsignal (MS) einer Abgassonde und dem vorgegebenen ersten fetten Luft/Kraftstoffverhältnis (LAM1_SP). Der Abgaskatalysator wird mit Sauerstoff beladen, bis er gesättigt ist. Ein vorgegebenes zweites fettes Luft/KraftstoffVerhältnis (LAM2_SP) in dem Brennraum des Zylinders wird eingestellt. Ein zweiter Sauerstoffspeicherkapazitätswert (OSC2) wird ermittelt, abhängig von dem Messsignal der Abgassonde und dem vorgegebenen zweiten fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis (LAM2_SP). Ein korrigierter Sauerstoffspeicherkapazitätswert (OSC_COR) wird abhängig von den ersten und zweiten Sauerstoffspeicherkapazitätswerten (OSC1, OSC2) ermittelt. - Die
DE 197 06 382 A1 offenbart ein Verfahren zur Prüfung auf korrekt angeschlossene Lambda-Sonden bei einer Brennkraftmaschine mit einer oder mehreren Zylindergruppen, die eine Motorsteuerung und mehrere Lambda-Sonden beinhaltet, wobei jeder Zylindergruppe ein eigener Abgasstrang mit einem Abgaskatalysator und wenigstens einer Lambda-Sonde mit daran angeschlossener Lambda-Regeleinheit zugeordnet ist. Brennkraftmaschinen dieser Art werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei Lambda-Sonden je nach Bedarf vor und/oder hinter dem jeweiligen Abgaskatalysator positioniert sind. Dabei ist es bekannt, an die jeweilige Lambda-Sonde eine Lambda-Regeleinheit anzuschließen, die eine Integratorstufe und üblicherweise auch eine hier nicht weiter interessierende Proportionalstufe beinhaltet, siehe z. B. das Fachbuch J. Kasedorf, Steuerungselektronik an Motor und Kraftübertragung, Vogel-Verlag, 1989, S. 164. Bei solchen Brennkraftmaschinen, z. B. Ottomotoren mit Lambda-Stereoregelung oder -Quadroregelung, besteht die Gefahr von falsch angeschlossenen Lambda-Sonden, wonach dann ein erkanntes Lambda-Sonden- signal der falschen Zylindergruppe zugeordnet wird und das Lambda-Regelsystem in Ungleichgewicht geraten kann. Das Verfahren vom eingangs genannten Typ dient zur Erkennung solcher Anschlußfehler. - Offenbarung der Erfindung
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 11 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben im Gegensatz zu den bisher verwendeten Verfahren, welche die Antwort der Sonde auf eine Lambdaänderung auswerten, den Vorteil, dass hier die Reaktion auf eine elektrische Anregung der Sonde beurteilt wird. Es wird also keine aktive Lambdaverstellung zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Sonde vorgenommen, sondern eine elektrische Anregung und die Auswertung eines elektrischen Antwortsignals der Sonde auf diese elektrische Anregung. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, die mit einer aktiven Lambdaverstellung arbeiten, den großen Vorteil auf, dass die elektrische Anregung der Sonde und die Auswertung eines Antwortsignals der Sonde auf ein elektrisches Anregungssignal nicht zu erhöhten Abgasemissionen führen.
- Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
- So ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, das elektrische Anregungssignal als sprungförmige elektrische Anregung der Sonde auszubilden. Eine sprungförmig elektrische Anregung der Sonde ist unabhängig von den bei der Prüfung vorherrschenden Abgasverhältnissen.
- Bevorzugt ist das elektrische Anregungssignal ein Strompuls, mit dem die Sonde beaufschlagt wird.
- Vorzugsweise wird die Sonde dabei mit einem Strompuls über einen Zeitraum von 1 ms bis 5 ms, insbesondere über einen Zeitraum von etwa 3 ms beaufschlagt. Durch diese pulsförmige elektrische Anregung ist die Erkennung von sehr kurzen Verzögerungszeiten, insbesondere von etwa 10 ms möglich.
- Als elektrisches Antwortsignal wird vorzugsweise eine Änderung der über der Sonde abgreifbaren Sondenspannung ausgewertet.
- Dabei wird auf eine unmanipulierte Sonde geschlossen, wenn die Änderung der Sondenspannung unmittelbar ohne zeitliche Verzögerung dem Stromimpuls, mit dem die Sonde beaufschlagt wird, folgt.
- Dagegen wird auf eine Manipulation durch eine permanente Verzögerung des Sondensignals geschlossen, wenn die Änderung der Sondenspannung mit einer zeitlichen Verzögerung jedem Stromimpuls folgt.
- Auf eine Manipulation durch temporäres Einfrieren des Sondensignals wird geschlossen, wenn die Änderung der Sondenspannung mit einer zeitlichen Verzögerung einem Teil der Stromimpulse folgt.
- Die Verzögerungszeit in Folge einer Manipulation kann bestimmt werden, indem bei einem Manipulationsverdacht die Prüfung in kurzen Abständen periodisch wiederholt wird. Die Verzögerungszeit ist dabei näherungsweise die Zeit zwischen der letzten noch erfolgreichen und der ersten wieder erfolgreichen Prüfung.
- Dagegen wird auf eine Manipulation durch eine permanente oder temporäre Tiefpass-Filterung geschlossen, wenn eine Verschleifung der Sondenspannung erfasst wird.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung von Manipulationen an Lambdasonden weist eine Schaltungsanordnung auf, mit der die Sonde mit einem elektrischen Anregungssignal, insbesondere mit einer sprungförmigen elektrischen Anregung, vorzugsweise mit einem Stromimpuls beaufschlagbar ist und eine Auswerteschaltungseinrichtung, zur Auswertung eines Antwortsignals, insbesondere der Sondenspannung, ferner eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Anregungssignale mit dem Antwortsignal und zum Schließen auf eine Manipulation bei Abweichung des Antwortsignals von einem eine unmanipulierte Sonde kennzeichnenden und beispielsweise gespeicherten oder hinterlegten Antwortsignal.
- Figurenliste
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung von Manipulationen an Lambdasonden; -
2 das Anregungssignal und das Antwortsignal bei einer unmanipulierten Sonde; -
3 das Anregungssignal und das Antwortsignal bei einer aufgrund einer permanenten Verzögerung des Sondensignals manipulierten Sonde; -
4 das Anregungssignal und das Antwortsignal bei einer aufgrund einer temporären Verzögerung des Sondensignals manipulierten Sonde und -
5 das Anregungssignal und das Antwortsignal bei einer aufgrund einer permanenten oder temporären Tiefpass-Filterung manipulierten Sonde. - Ausführungsformen der Erfindung
- In
1 ist schematisch eine Sonde100 dargestellt als Ersatzschaltbild. Die Sonde stellt im Wesentlichen eine Spannungsquelle dar, welche eine SondenspannungUS erzeugt, sie weist einen InnenwiderstandR , auf. Diese Sonde wird durch eine Schaltungsanordnung110 mit einem elektrischen AnregungssignalIB beaufschlagt. Hierzu wird ein Schalter111 kurzzeitig geschlossen, sodass an die Sonde100 eine BelastungsspannungUB über einen BelastungswiderstandRB angelegt wird und der BelastungsstromIB durch die Sonde100 fließt. Dieses kurzzeitige Schließen und Öffnen des Schalters111 erfolgt sprunghaft, in Form eines Strompulses über ein Zeitintervall von 1 ms bis 5 ms, insbesondere über ein Zeitintervall von 3 ms. Das Beaufschlagen mit dem Strompuls kann auch periodisch erfolgen. - Zur Erkennung, ob eine Manipulation M an einer beliebigen Stelle im Signalkreis zwischen dem Sensorelement, das heißt der Sonde
100 , und einem Steuergerät120 , das einen Analog-Digital-Wandler ADC aufweist, vorgenommen wurde, die zu einer Verzögerung oder Verschleifung des Sondensignals führt (in1 schematisch durch Bezugszeichen150 dargestellt), wird die SondenspannungUADC , das heißt die am Analog-Digital-Converter anliegende Sondenspannung als Antwortsignal ausgewertet. - Das Anregungssignal ist demgemäß der Strompuls
IB und das Antwortsignal ist die SondenspannungUADC , wie sie am Analog-Digital-Converter anliegt und dort in Digitalwerte gewandelt wird. - In
2 sind schematisch das AnregungssignalIB sowie das AntwortsignalUADC über der Zeit t dargestellt. - Pulsen
210 des AnregungssignalsIB folgen ohne zeitliche Verzögerung unmittelbar Pulse240 des AntwortsignalsUADC . Die SondenspannungUADC steigt dabei pulsförmig um einen WertΔUADC an. Dieser AnstiegΔUADC kann erfasst und ausgewertet werden. In2 ist schematisch das Antwortsignal einer fehlerfreien Zweipunkt-Lambdasonde100 bei einer pulsförmigen Strombelastung dargestellt. Das Einschalten des BelastungsstromsIB führt in Folge des Innenwiderstands Ri der Sonde100 nahezu ohne Verzögerung, innerhalb cirka 1 ms zu einer sprungförmigen ErhöhungΔUADC des Sondensignals. Beim Abschalten des BelastungsstromsIB springt das SondensignalUADC auf den Wert vor der Belastung zurück. Wird daher kurz nach Aktivierung der Strombelastung eine Spannungserhöhung erfasst, deutet dies auf ein unmanipuliertes System hin. Um zu vermeiden, dass eine Spannungserhöhung in Folge einer Lambdaänderung fälschlicherweise als durch die Strombelastung bedingt interpretiert wird, kann das Sondensignal, also das AntwortsignalΔUADC vor und nach der Strombelastung verglichen werden. Unterscheiden sich die beiden Werte nur unwesentlich, kann davon ausgegangen werden, dass die temporäre Spannungserhöhung das Resultat der Strombelastung, das heißt des Ausgangssignals war. - Eine manipulierte Lambdasonde
100 bei der die Manipulation hier durch eine permanente Verzögerung realisiert ist, führt zu einer Phasenverschiebung des kompletten Sondensignals. Dies bedeutet, dass das AntwortsignalΔUADC phasenverschoben auf das AnregungssignalIB folgt, wie es schematisch in3 dargestellt ist. In3 sind wiederum schematisch das Anregungssignal, das heißt die StrompulseIB und das Antwortsignal, das heißt die SondenspannungUADC über der Zeit t dargestellt. Stromspulsen130 des Anregungssignals folgen nicht unmittelbar pulsförmige Erhöhungen des Sondensignals. Vielmehr sind diese Pulse340 zeitlich um einen Wert Δt verschoben. Im Zeitpunkt der Anregungssignalpulse310 ist dagegen die Änderung der Sondenspannung, das heißt des AntwortsignalsΔUADC ungefähr 0 V. Wenn also kurz nach der Aktivierung der Strombelastung keine deutliche Spannungserhöhung im Antwortsignal erfasst wird, deutet das auf eine Manipulation hin. Eine solche Manipulation kann beispielsweise durch einen Ringspeicher hervorgerufen werden. Um auch hier wieder Fehldiagnosen zu vermeiden, kann ein Vergleich der Sondensignale vor und nach der Belastung vorgesehen sein. Das Verfahren ist auch dazu geeignet, die Verzögerungszeit in Folge der Manipulation zu ermitteln, indem die Zeit zwischen der Aktivierung der Strombelastung, das heißt der Beaufschlagung mit Strompulsen310 und der Reaktion, die sich im Sondensignal durch Pulse340 widerspiegeln, bestimmt wird. Es kann mit anderen Worten der Wert der zeitlichen Verzögerung Δt bestimmt werden. - Eine Verzögerung des Sondensignals in der Form, dass das Signal temporär eingefroren wird, kann dadurch erkannt werden, dass eine Strombelastung in der Einfrierphase keine Reaktion des Sondensignals hervorruft, wie es schematisch in
4 dargestellt ist. Genauso wie im in Verbindung mit3 vorbeschriebenen Fall bei einer permanenten Verzögerung kann diese Manipulation dadurch erkannt werden, dass kurz nach der Aktivierung der Strombelastung, das heißt der Beaufschlagung der Sonde100 mit Strompulsen410 keine Spannungserhöhung des SondensignalsUADC festgestellt werden kann, das heißt ΔUADC ≈ 0 V. In einem späteren Verlauf der Sondenspannung kann dagegen ein Strompuls440 erfasst werden, dann nämlich, wenn die „Einfrierzeit“ des Signals zu Ende ist. Die Verzögerungszeit in Folge der Manipulation kann bestimmt werden, indem bei einem Manipulationsverdacht die Prüfung in kurzen Abständen periodisch wiederholt wird. Die Verzögerungszeit ist dann näherungsweise die Zeit zwischen der letzten noch erfolgreichen und der ersten wieder erfolgreichen Prüfung. Ein temporäres Einfrieren des Signals kann beispielsweise bei einer Flanke des Sondensignals erfolgen. - Eine permanente oder temporäre Tiefpass-Filterung des Sondensignals führt dazu, dass eine pulsförmige Strombelastung zu einer starken Verschleifung des Sondensignals führt oder sogar bei einer entsprechend hohen Filterzeitkonstanten gar nicht mehr erkennbar ist. Diese Manipulation aufgrund einer temporären oder permanenten Tiefpass-Filterung, wobei eine temporäre Tiefpass-Filterung beispielsweise nur bei einer Flanke des Sondensignals wirksam sein kann, ist in
5 schematisch dargestellt. Eine Tiefpass-Filterung mit ausreichend hoher Filterzeitkonstante kann dadurch erkannt werden, dass geprüft wird, ob unmittelbar nach Beaufschlagung mit Strompulsen510 eine deutliche Spannungserhöhung des Antwortsignals, das heißt des SondensignalsUADC erfasst wird. Wenn dies nicht der Fall ist, wenn daher die Erhöhung ΔUADC = 0 V ist, also eine Verschleifung des SondensignalsUADC vorliegt, muss bei allen Strompulsen510 von einer Tiefpass-Filterung ausgegangen werden. - Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät
120 der Brennkraftmaschine implementiert werden und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät120 lesen kann.
Claims (11)
- Verfahren zur Erkennung von Manipulationen an Lambdasonden (100), gekennzeichnet durch folgende Schritte: - die Lambdasonde (100) wird durch wenigstens ein elektrisches Anregungssignal (210; 310; 410; 510) angeregt; - wenigstens ein elektrisches Antwortsignal (ΔUADC) der Sonde (100) wird erfasst; - das wenigstens eine elektrische Antwortsignal (ΔUADC) wird mit wenigstens einem vorgegebenen eine unmanipulierte Sonde (100) charakterisierenden elektrischen Antwortsignal verglichen; - die Abweichung des erfassten wenigstens einen elektrischen Antwortsignals (ΔUADC) von dem wenigstens einen vorgegebenen elektrischen Antwortsignal wird zur Erkennung einer Manipulation der Sonde (100) herangezogen, wobei das elektrische Anregungssignal (210; 310; 410; 510) eine sprungförmige elektrische Anregung der Sonde (100) ist, wobei das elektrische Anregungssignal (210; 310; 410; 510) ein Strompuls, mit dem die Sonde (100) beaufschlagt wird, ist, wobei als elektrisches Antwortsignal eine Änderung (ΔUADC) der über der Sonde abgreifbare Sondenspannung (UADC) ausgewertet wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde mit einem Strompuls (210; 310; 410; 510) über ein Zeitintervall von 1 ms bis 5 ms beaufschlagt wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde mit einem Strompuls (210; 310; 410; 510) über ein Zeitintervall von 3 ms beaufschlagt wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Änderung (ΔUADC) der Sondenspannung unmittelbar ohne zeitliche Verzögerung dem Stromimpuls (210; 310; 410; 510) folgt, auf eine unmanipulierte Sonde (100) geschlossen wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Änderung (ΔUADC) der Sondenspannung (UADC) mit einer zeitlichen Verzögerung jedem Stromimpuls (210; 310; 410; 510) folgt, auf eine Manipulation durch permanente Verzögerung des Sondensignals geschlossen wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Änderung (ΔUADC) der Sondenspannung (UADC) mit einer zeitlichen Verzögerung einem Teil der Stromimpulse (310) folgt, auf eine Manipulation durch temporäres Einfrieren des Sondensignals geschlossen wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen einer Manipulation die sprungförmige elektrische Anregung der Sonde (100), das Beaufschlagen der Sonde (100) mit dem Stromimpuls (210; 310; 410; 510) in kurzen zeitlichen Abständen periodisch erfolgt. - Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn eine Verschleifung der Sondenspannung (UADC) erfasst wird auf eine Manipulation durch eine permanente oder temporäre Tiefpass-Filterung geschlossen wird. - Vorrichtung zur Erkennung von Manipulationen an Lambdasonden (100) gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (110), mit der die Sonde (100) mit einem elektrischen Anregungssignal (210; 310; 410; 510), mit einer sprungförmigen elektrischen Anregung, mit einem Stromimpuls beaufschlagbar ist, durch eine Auswerteschaltungseinrichtung (120) zur Auswertung eines Antwortsignals, der Sondenspannung und zum Vergleichen des Anregungssignals (210; 310; 410; 510) mit dem Antwortsignal und zum Schließen auf eine Manipulation bei Abweichung des Antwortsignals von einem eine unmanipulierte Sonde (100) kennzeichnendes Antwortsignal.
- Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft. - Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird.
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