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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Überwachung von Funktionskomponenten
eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
WO 98/01 728 A1 ist
eine Vorrichtung zur Erfassung von analogen Messsignalen für die akustische
Diagnose von Prüflingen
bekannt. Dabei können
mit Hilfe von Schwingungsaufnehmern von einem Prüfling analoge Messsignale aufgenommen
werden. Ein Computer ist mit einer standardmäßigen Schnittstellenkarte ausgerüstet, welche
zur Digitalisierung der Messsignale dient. Ein Schaltsignal dient
zur Erzeugung eines Trägersignals,
welches über
eine bevorzugt serielle Schnittstelle eingebbar ist. Ein Steuerprogramm
im Computer schaltet über das
Trägersignal
die Eingabe von Messsignalen ein und aus.
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Die
DE 42 07 728 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Qualitätsprüfung von
Prüfobjekten,
bei dem die zu untersuchenden Prüfobjekte
durch eine externe, impulsförmige
Anregung zur Emission von Schallwellen angeregt werden, bei dem
die imitierten Schallwellen in einem Schalldetektor registriert
werden und bei dem auf der Grundlage des registrierten Schalls eine
Einteilung der Prüfobjekte
in mindestens zwei Qualitätsklassen
erfolgt. Die Klassifikation des Schallspektrums der Prüfobjekte
erfolgt dabei durch ein neuronales Netzwerk.
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Die
DE 40 17 448 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Diagnose der mechanischen Eigenschaften von Maschinen,
in denen Schwingungen verursachende, rotierende Bauteile vorhanden
sind. Um eine schnelle und zuverlässige Methode zu schaffen,
mit der routinemäßig gewonnene
Schwingungsbilder verarbeitet werden können, um typische Maschinenfelder
zu diagnostizieren, wird das Detektionssignal durch ein Frequenztransformationsverfahren
aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert und die
Untersuchung des Signals im Frequenzbereich vorgenommen.
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Aus
der
WO 96/13 011 A1 ist
ein Schwingungsüberwachungssystem
für eine
Maschine bekannt, welches einen Mikrokontroller und eine zu überwachende
Maschine enthält.
Die Maschine enthält
mindestens ein rotierendes Element und mindestens einen Sensor zur
Umsetzung von mechanischen Schwingungen der Maschine in ein korrespondierendes
elektrisches Signal, welches durch den Mikrokontroller ausgewertet
wird.
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Die
US 5 109 7001 beschreibt
eine Methode sowie eine Vorrichtung zur Analyse rotierender Maschinen.
Dabei nimmt ein mit einer rotierenden Maschine verbundener Schwingsaufnehmer
die Schwingung der Maschine auf und generiert ein entsprechendes
elektrisches Ausgangssignal. Die Vorrichtung ist vorgesehen zur
Auswertung des elektrischen Signals und zur Ausgabe bzw. Darstellung
des Signalpegels, der Rotationsgeschwindigkeit sowie des Zustands
der Lager der Maschine.
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Die
DE 198 31 457 A1 beschreibt
eine Nachrüstungsvorrichtung
zum Erfassen der Abgaszusammensetzung in Kraftfahrzeugen, die nicht
serienmäßig mit
OBD-Technik ausgerüstet
sind. Sofern eine zu überwachende
Baugruppe ausfällt
oder eine Fehlfunktion aufweist, wird eine Signallampe am Armaturenbrett
aktiviert und als Fehlerquote gespeichert. Die festgestellte Fehlfunktion
kann beispielsweise zu einem späteren
Zeitpunkt über
eine normierte Schnittstelle in einer Werkstatt zur Identifikation
und Beseitigung des Fehlers ausgelesen werden.
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Beim
Motorbetriebsystem gemäß
DE 199 16 927 A1 wird
das Signal eines Sensors in der Abgasleitung innerhalb einer Rückkopplungsschleife
zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
im Brennraum genutzt. Hierfür
werden die Signale des Abgaskomponentensensors von der Motorsteuerung
statistisch analysiert und für
die Ansteuerung des Kraftstoffabgabesystems verarbeitet. Somit wird
eine zeitnahe Rückkopplung
zwischen dem Ist-Zustand und er Abgasnachbehandlungseinrichtung
und dessen technischen Ursachen erreicht.
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Unabhängig davon,
ob die mittels OBD ermittelten Diagnoseparameter erst zu einem späteren Zeitpunkt
oder sofort genutzt werden, ist es stets erforderlich, diese Parameter
zu bewerten. Kernpunkt ist eine Einschätzung, ob die Parameter einen
ordnungsgemäßen oder
einen fehlerhaften Zustand charakterisieren. Das OBD-System verfügt üblicherweise über eine
vorprogrammierte Kennlinie, die als Vergleichsgrundlage für die spätere On-Bord-Messsung und Off-Bord-Messung
benutzt wird. Insbesondere für
Niedrigemissionskonzepte mit entsprechend niedrigen OBD-Schwellen
ist hierbei eine sehr genaue Unterscheidung zwischen den Zuständen "in Ordnung" und "nicht in Ordnung" notwendig. Dafür sind statistische
Methoden eine geeignete Lösungsmöglichkeit.
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Statistische
Methoden zur Auswertung von Diagnoseergebnissen sind grundsätzlich bekannt, wobei
im Zusammenhang mit OBD bereits die Methode der Klassierung angewendet
wird. So sind beispielsweise in bekannten OBD-Steuergeräten Klassierungsspeicher
vorhanden, die es ermöglichen,
die Diagnoseergebnisse über
eine Normierungsfunktion zunächst
zu standardisieren um danach klassiert zu zählen. Eine andere Funktion
besteht darin, minimale oder maximale Diagnoseergebnisse in Abhängigkeit von
einem charakteristischen Diagnoseparameter klassiert zu speichern.
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Mit
dem in der
DE 44 34
197 C2 beschriebenen OBD-Verfahren kann auch der Zustand
von Baugruppen diagnostiziert werden. An den zu überwachenden Baugruppen sind
Sensoren angeordnet, die mit dem elektronischen Motorregelsystem
in Wirkverbindung stehen. Die Signalparameter dieser Sensoren werden
zunächst
mittels einer Normierungsfunktion standardisiert. Hierfür werden
Klassifizierer vorgeschlagen, die für einfache Anwendungen als Fest-Klassifizierer
ausgestaltet sein können.
Vorzugsweise gründet
sich diese Diagnosetechnik auf Lern-Klassifizierer, die bei Bezugssensoren
mit bekannten Betriebscharakteristika bzw. auf Grundlage statistisch
ermittelter Parameter trainiert oder charakterisiert werden. Dabei
kann bis zum Erzeugen eines funktionsfähigen Lern-Klassifizierers eventuell ein mehrfacher
Durchlauf von Entscheidungsschleifen notwendig sein. Auf Grundlage
der von der Normierungsfunktion bewirkten Standardisierung werden die
Diagnoseergebnisse den Klassen eines Klassierspeichers zugeordnet.
Anhand der Klassenbelegungen ist nachfolgend Unterverwendung einer
Bewertungsfunktion eine Aussage zum Zustand der überwachten Baugruppen möglich, wobei
insbesondere durch Vergleich mit einem Schwellwert entweder "in Ordnung" oder "nicht in Ordnung" festgestellt wird. Dieses
Verfahren ist grundsätzlich
für eine On-Bord-Diagnose
emissionsrelevanter Baugruppen von Kraftfahrzeugen geeignet. Die
Erzeugung der Lern-Klassifizierer durch Vergleich der zu normierenden
Signalparameter mit gespeicherten, statistisch ermittelten Signalparametern
vermindert dabei vorteilhaft den Entwicklungs- und Testaufwand für die zum
Klassifizieren der Sensoren erforderlichen Regeln. Nachteilig ist
allerdings, dass lediglich eine geringe Anzahl von Klassen in Klassierspeicher
realisiert werden kann. Somit ist eine exakte Entscheidung zwischen
den Bewertungen "in
Ordnung" bzw. "nicht in Ordnung" fragwürdig. Weitere
Unsicherheiten bezüglich
der zu treffenden Bewertung werden durch Zufallsstreuungen der Diagnoseergebnisse bewirkt.
Gemäß den Darlegungen
in dieser Druckschrift sind im Klassierspeicher vorzugsweise drei Klassen
verfügbar,
die beispielsweise in Kraftstoff-Luftgemisch in den Zuständen "fett/normal/mager" charakterisieren.
Dies ist für
die Nutzung an Abgassensoren zwar ausreichend, für weitergehende Differenzierungen
bzw. für
andere Baugruppen müssen
jedoch mehr Klassen verfügbar
sein.
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Die
DE 101 55 647 A1 offenbart
ein OBD-Verfahren, das eine verbesserte Auswertung der Diagnoseparameter
ermöglicht.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass in einem Klassierspeicher
eine ausreichend große
Anzahl von Klassen belegt und somit ein weitgehend exakte Zustandsbewertung
der zu überwachenden
Baugruppen realisiert wird. Dazu wird jeder Klasse des Klassierspeichers
ein Wichtungsfaktor zugeordnet.
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Schließlich zeigt
die
DE 39 32 436 A1 eine Diagnoseeinrichtung
zur Fehlerdiagnose bei einer Elektroniksteuerung in einem Kraftfahrzeug,
wobei die elektronische Steuerung Fühl- und Messelemente zur Erfassung verschiedener
Betriebszustände
im Kraftfahrzeug sowie eine erste Speichereinrichtung zum Abspeichern
der von den Fühl-
und Messelementen gelieferten Daten aufweist. Zur Diagnoseeinrichtung
gehört
auch ein Diagnosegerät
mit einem Steuerteil, in dem eine zweite Speichereinrichtung zum
Abspeichern von Diagnoseprogrammen zur Fehlerdiagnose in der elektronischen
Steuerung vorgesehen ist und bei welcher ein Anzeigeelement zum Anzeigen
der Diagnosedaten, eine Tastatur zur Eingabe einer Diagnosebetriebsart
in das Steuerteil und eine Einrichtung zum Anschließen des
Diagnosegerätes
an die elektronische Steuerung vorgesehen sind. Eine zweite Speichereinrichtung
zum Abspeichern von Diagnoseprogrammen zur Diagnose der elektronischen
Steuerung ist im Diagnosegerät,
eine dritte Speichereinrichtung zum Abspeichern von Diagnoseprogrammen
zur Diagnose der elektronischen Steuerung ist in der elektronischen
Steuerung, eine Festlegeeinrichtung zur jeweiligen wahlweisen Zuweisung
der Haupt- bzw. Nebenfunktion der elektronischen Steuerung und des
Diagnosegerätes
zur Bildung eines Systems mit Führungsgeräten und
geführten
Geräten
(Master-Slave) ist im Diagnosegerät und eine Einrichtung zur
Fehlerdiagnose entsprechend den Diagnoseprogrammen, die in der Speichereinrichtung
im Führungsbetrieb
gespeichert werden, ist in der elektronischen Steuerung vorgesehen.
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Es
ist bekannt, dass Kraftfahrzeuge, insbesondere solche mit Verbrennungsmotoren,
eine Vielzahl von Komponenten beinhalten, die während des Betriebs mehr oder
weniger hohen Belastungen und mehr oder weniger starken Verschleiß unterworfen sind.
So kann beispielsweise der Verbrennungsmotor unrund laufen, weil
sie Zündung
verstellt ist, weil die Ventile verstellt sind, weil die Kraftstoffqualität nicht stimmt,
weil der Motor im falschen Lastbereich betrieben wird, weil ein
Lager defekt ist, weil die Ansauganlage und/oder die Abgasanlage
verstopft oder beschädigt
sind, usw.. Die Abgasanlage unterliegt einem Verschleiß, ausgelöst durch
die hohen Temperaturen der Abgase, durch die Pulsationen der Abgase,
durch die Schwingungen und Vibrationen, die der Fahrbetrieb auslöst, und
durch den Korrosionsangriff. Dadurch kann es zu Rohr- oder Gehäusebeschädigungen
kommen, im Schalldämpfer
ungebrachte Dämpfungswolle
kann ausgeblasen werden, Dieselrußpartikelfilter können überladen
und damit verstopft sein, Abgaskatalysatoren können zerstört sein usw..
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Auch
die Ansauganlage des Kraftfahrzeugs unterliegt einem Verschleiß. Einem
Verschleiß unterliegen
auch die Hilfsaggregate, die in Kraftfahrzeugen untergebracht sind,
angefangen von der Lichtmaschine bis hin zur Klimaanlage.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, mit dessen Hilfe die Funktionskomponenten eines Kraftfahrzeugs überwacht
werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
vorliegende Erfindung analysiert das akustische Verhalten aufgrund
der akustischen Signale, die diese Komponenten abgeben. Dies können sein
schleifende oder kreischende Lagergeräusche, lauter werdende Pulsationen
der Abgasanlage, pfeifende Geräusche
in der Ansaug- und/oder Abgasanlage und dergleichen mehr. Dabei
ist von Vorteil, dass zur Wandlung der akustischen Signale in elektrische
Signale einfache, preiswerte und vor allem betriebssichere Sensoren
in Form von Mikrofonen, Pulsationssensoren und/oder Dehnungsmessstreifen
eingesetzt werden können.
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Um
die Auswertung der Signale auf gut oder schlecht hin zu verfeinern,
wird auch gleichzeitig ein Drehzahlsensor eingesetzt, der die Motordrehzahl
an die Auswerteelektronik meldet, so dass die Grundfrequenz der
Signale stets bekannt ist.
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Die
Sensoren können
je nach Bedarf innerhalb oder auch außerhalb von Ansauganlage, Verbrennungsmotor
und Abgasanlage angeordnet werden.
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Ausgewertet
werden folgende physikalischen Größen: Gasdruck, Gasgeschwindigkeit,
mechanische Schwingungen, Pulsationsamplituden, Pulsationsfrequenzen
usw..
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Gemäß einer
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird wenigstens ein Thermoelement an einer der dazu gehörenden Funktionskomponenten
platziert. Damit lassen sich Gastemperaturen, Gehäusetemperaturen,
Rohrtemperaturen, Lagertemperaturen usw. erfassen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung kann ein Mikrofon an der Lichtmaschine
platziert werden. Damit lassen sich die Lichtmaschinenlager überwachen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann ein Mikrofon an der Klimaanlage
platziert werden. Damit kann die einwandfreie Funktion der Klimaanlage überwacht
werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann ein Mikrofon an der Ventilsteuerkette
platziert werden. Damit lässt
sich der Lauf der Ventilsteuerkette überwachen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung lässt
sich ein Mikrofon am Keilriemen platzieren. Damit kann der Lauf
des Keilriemens überwacht
werden.
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Zur
Aufnahme der akustischen Signale der zu überwachenden Funktionselemente
lassen sich piezoelektrische Messaufnehmer verwenden.
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Alternativ
können
auch Electret-Mikrofone eingesetzt werden.
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Anhand
der Zeichnung soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines rein
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
eines Kraftfahrzeugs erläutert
werden.
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Man
erkennt einen Verbrennungsmotor 1, dem eine Abgasanlage 10 nachgeordnet
und eine Ansauganlage 20 vorgeordnet ist. Die Ansauganlage 20 umfasst
wenigstens einen Ansaugschalldämpfer 22 und
Ansaugrohre 21. Die Abgasanlage 10 umfasst Krümmerrohre 11,
einen Abgaskatalysator und/oder Dieselrußpartikelfilter 12,
Vorrohre 13, einen Mittelschalldämpfer 14, Verbindungsrohre 15,
einen Endschalldämpfer 16 und
ein Endrohr 17.
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Um
die akustischen Eigenschaften einschließlich der mechanischen Schwingungen
dieser Funktionskomponenten erfassen zu können, sind neben dem Ansaugschalldämpfer 22 Mikrofone 31, 32, vorzugsweise
piezoelektrische oder Electret-Mikrofone positioniert.
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In
das Ansaugrohr 21 ist ein Pulsationssensor 41 eingesetzt.
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Die
akustischen Signale des Verbrennungsmotors 1 werden von
einem neben dem Motor 1 positionierten Mikrofon 33 und
einem in den Motor eingebauten Pulsationssender 51 aufgenommen.
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In
die Krümmerrohre 11 der
Abgasanlage 10 sind Pulsationssensoren 42 eingesetzt.
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Die
akustischen Signale des Abgaskatalysators bzw. Dieselrußpartikelfilters 12 werden
von einem neben diesem angeordneten Mikrofon 34 erfasst.
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In
die Vorrohre 13 sind Pulsationssensoren 43 eingebaut.
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Die
akustischen Signale des Mittelschalldämpfers 14 werden von
einem neben dem Schalldämpfer 14 angeordneten
Mikrofon 35 und einem in den Schalldämpfer 14 eingesetzten
Pulsationssensor 44 aufgenommen.
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Die
akustischen Signale des Abgasrohrs 15 werden von einem
eingesetzten Pulsationssensor 45 erfasst.
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Die
Akustik des Endschalldämpfers 16 erfasst
ein eingebauter Pulsationssensor 46.
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Das
Mündungsgeräusch des
Endrohrs 17 wird von einem neben diesen angeordneten Mikrofon 36 erfasst.
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Die
Signale aller dieser Sensoren und ggf. weiterer Sensoren in Form
von Dehnungsmessstreifen, Temperaturfühlern usw. werden in einer
Recheneinrichtung (nicht dargestellt) einer Fourier-Transformation
unterzogen und anschließend
mit einem in der Recheneinrichtung hinterlegten akustischen Signatur
verglichen. Abweichungen werden erkannt, ggf. mit Wichtungsfaktoren
gewichtet und zu einem Gesamtbild vereinigt, welches das Laufverhalten
des Motors, das akustische Verhalten der Ansauganlage, das akustische
Verhalten der Abgasanlage, die mechanische Integrität der Metallteile
und Lager erfasst.