10 OBD-System bei Ottomotoren

10 OBD-System bei Ottomotoren 10.1 Grundaufbau eines OBD-Systems Die Technik der OBD-Systeme basiert grundsätzlich auf den bekannten technischen Funktionen und Bauteilen moderner Saugrohreinspritzsysteme. Die Systeme sind zur Erfüllung der gesetzlichen Forderungen um eine Reihe spezifischer Sensoren und Bauteile erweitert. Den prinzipiellen Aufbau eines OBD-Systems zeigt Bild 10.1. Die zusätzlichen Bauteile der OBD sind in der Abbildung durch Buchstaben gekennzeichnet. Nicht jedes OBD-System muss über alle dargestellten Sensoren verfügen. Das OBD-Steuergerät führt eine permanente Selbstüberwachung der Systeme durch. Defekte Bauteile der Steuerelektronik oder Softwarefehler werden erkannt und im Fehlerspeicher hinterlegt. Dazu werden ständig die Signale der Sensoren, die Steuerbefehle und die Reaktionen des Systems auf Plausibilität überprüft und mit gespeicherten Sollwerten verglichen. Nach bestimmten vorgegebenen Prüfroutinen Bild 10.1 Grundaufbau eines OBD-Systems A MIL-Lampe (Fehlerlampe) B OBD-Schnittstelle (Diagnoseschnittstelle) C Beschleunigungssensor für Karosseriebeschleunigung D Monitorsonde (2. Lambda-Sonde) E Absperrventil Tankentlüftung F Saugrohrdrucksensor G Druckdifferenzsensor 1 Kraftstoffpumpe 12 Leerlaufdrehzahlsteller 2 Kraftstofffilter 13 Ansauglufttemperaturfühler (NTC) 3 Aktivkohlebehälter 14 Drucksteller AGR 4 Sekundärluftpumpe 15 AGR-Ventil 5 Sekundärluftventil 16 Motortemperaturfühler (NTC) 6 Zündspule/Direktzündsystem 17 Drehzahl- und Bezugsmarkengeber 7 Einspritzventil 18 Klopfsensor 8 Kraftstoffdruckregler 19 Phasensensor 9 Tankentlüftungsventil 20 Lambda-Sonde 10 Drosselklappenpotentiometer 21 OBD-Steuergerät 11 Heißfilm-Luftmassenmesser 22 Dreiwege-Katalysator 171

wertet die Elektronik die Informationen der verschiedenen Sensoren aus und bewertet und vergleicht die tatsächlichen Ergebnisse. Treten starke Abweichungen von den Sollwerten auf, erfolgt eine Fehlermeldung durch Aktivierung der MIL. Der Fehler und die Betriebsbedingungen beim Auftreten des Fehlers werden gespeichert. Bei Systemen mit E-Gas ist der Leerlaufdrehzahlsteller (Bauteil 12) durch eine elektrische Drosselvorrichtung und ein elektrisches Fahrpedal ersetzt. Anstelle des pneumatisch gesteuerten AGR-Ventils (Bauteile 14 und 15) werden zunehmend auch elektrisch angesteuerte AGR-Ventile eingesetzt. Das Bauteil C Karosseriebeschleunigungssensor ist sehr selten verbaut (meist bei Geländefahrzeugen) und dient der Schlechtwegerkennung. Da die Aussetzererkennung aus der Drehunrundheit der Kurbelwelle ermittelt wird, können sehr wellige oder holprige Strecken zu einer falschen Beurteilung der Ursachen für die Drehunrundheiten führen. Das System könnte beispielsweise im Geländeeinsatz Zündaussetzer erkennen, die nicht vorhanden sind. Es würden unnötig Fehler gespeichert. In den Vorschriften und Normen sind die mindestens zu überwachenden abgasrelevanten Systeme und Baugruppen festgelegt. Die konkrete technische Umsetzung und Technologie zur Überwachung und Überprüfung der jeweiligen Systeme ist in den Normen nicht immer festgelegt. Die Hersteller können verschiedene, oft eigene Lösungswege der konkreten Systemüberwachung gehen. Die folgenden Darstellungen und Erläuterungen zu den Überwachungsvarianten der Systeme zeigen verschiedene, in der Praxis oft verwendete Lösungen. Je nach Hersteller und Fahrzeugtyp sind Abweichungen oder andere technische Varianten möglich. Auch Unterschiede beim Einsatz zwischen der CARB OBD und der EOBD führen zu abweichenden oder modifizierten Anwenderlösungen. 10.2 Erkennung von Zündaussetzern Durch Zündaussetzer (Verbrennungsaussetzer) gelangt unverbranntes Kraftstoff- Luft-Gemisch in den Katalysator und kann zu dessen thermischer Zerstörung führen. Auch die Lambda-Sonde kann thermisch geschädigt werden. Die Kohlenwasserstoffemission steigt erheblich an. Treten Zündaussetzer auf, treten damit auch Drehunrundheiten in der Bewegung der Kurbelwelle und unterschiedliche Momente an der Kurbelwelle auf. Für die Erkennung der Zündaussetzer werden verschiedene Analyseverfahren eingesetzt. Die Aussetzeranalyse erfolgt zylinderselektiv mit Hilfe eines Drehzahlsensors auf der Kurbelwelle. Bei Ausfall des Drehzahlgebers ist kein Motorbetrieb mehr möglich. 10.2.1 Laufunruheverfahren Bei diesem Verfahren werden Zündaussetzer aus der Berechnung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle und einer daraus resultierenden möglichen Laufunruhe erkannt. Über den Zündzeitpunkt oder das Signal des Nockenwellenpositionsgebers erkennt die Motorsteuerung, in welchem Zylinder eine Laufunruhe auftritt. Treten Zündaussetzer auf, kann für den oder die fehlerhaften Zylinder die 172

Einspritzung unterbrochen werden. Kommt es innerhalb einer vorgegebenen Anzahl von Motorumdrehungen mehrfach zu Zündaussetzern, die zu einer Schädigung des Katalysators führen können oder eine Erhöhung der Abgasemission zur Folge haben, so wird die MIL aktiviert. Der Fehler und die Fehlerumgebungsdaten (freeze frame) werden im Fehlerspeicher abgelegt. Drehunrundheiten, die aus Fertigungstoleranzen herrühren, werden durch eine ständige Adaption des Systems und den Vergleich mit festgelegten Grenzwerten ausgeschlossen. Bei bestimmten Betriebsbedingungen wie Schiebebetrieb, Zündungseingriff externer Systeme wie Klopfregelung und ASR oder bei sehr schnellen Lastwechseln reagiert das System nicht. Drehunrundheiten, die durch grobe Fahrbahnunebenheiten oder schlechte Wegstrecken entstehen, können mit Hilfe des Karosseriebeschleunigungssensors (Bauteil C) erkannt werden. Auch die Signalauswertung der Raddrehzahlsensoren der Antriebsräder kann zur Schlechtwegerkennung herangezogen werden. Zur Erkennung von Drehunrundheiten werden durch einen induktiven Drehzahlund Bezugsmarkengeber auf der Kurbelwelle die Drehzahl, die Winkelgeschwindigkeit und die Stellung der Kurbelwelle ermittelt. Zum System (Bild 10.2) gehört ein mit der Kurbelwelle verbundener Zahnkranz (z. B. Schwungscheibe), der als Inkrementenrad bezeichnet wird. Das Inkrementenrad ist entsprechend der Zylinderzahl und des Zündabstandes der Zylinder in Sektoren unterteilt. Die Laufzeit, die jeder Sektor pro Zeiteinheit für einen Durchlauf benötigt, dient als Erkennungsgröße für auftretende Zündaussetzer. Die Zündaussetzer bewirken eine Veränderung der Kolbenbeschleunigung und daraus resultierend eine Drehunrundheit der Kurbelwelle von wenigen Millisekunden. Von der Steuerelektronik wird diese Veränderung der Durchlaufzeit eines Sektors erkannt und bei Überschreitung programmierter Grenzwerte ein Fehler abgespeichert. Die auftretende Laufunruhe (Bild 10.3) liegt im Bereich von Millisekunden. In diesem Fall hat Zylinder 4 eine Laufunruhe. Das System prüft ständig in festgelegten Messintervallen von beispielsweise 1000 Kurbelwellenumdrehungen die Aussetzerrate. Eine Überschreitung des HC-Gehaltes um das 1,5fache entspricht einer Aussetzerrate von mehr als 2 % oder 20 Aussetzer. Wird dieser Toleranzwert überschritten, wird der betroffene Zylinder identifiziert und bei Wiederholung der Laufunruhe im nächsten Abfrageintervall ein Fehler gespeichert und die MIL aktiviert. Die Kraft- Bild 10.2 Beispiel Inkrementenrad 173

Bild 10.3 Erkennung der Laufunruhe stoffversorgung für den Zylinder wird abgeschaltet, wenn katalysatorschädigende Aussetzerraten auftreten. Um ein dauerhaftes Abschalten der Kraftstoffversorgung bei sporadisch auftretenden Fehlern zu vermeiden, wird bei jedem Neustart die Einspritzung für den betroffenen Zylinder wieder aktiviert. Tritt der Aussetzerfehler erneut auf, wird der Zylinder wieder abgeschaltet. Tritt der Fehler nicht auf, verlischt die MIL; der Fehler bleibt aber gespeichert. Unter folgenden Bedingungen kann die permanente Überwachung der Aussetzererkennung ausgeblendet werden: q Kraftstoffreserve ist aktiviert, q Motor befindet sich im Schiebebetrieb, q stark schwankende Gaspedalstellung, q instabile Betriebszustände, q Eingriff oder Aktivierung der Klopfregelung, q Aktivierung von Fahrdynamikregelsystemen wie ASR oder ESP, q Drehgeschwindigkeitsänderungen im Antriebsstrang durch schlechte Wegstrecke. Das Steuergerät führt für das Inkrementenrad und den Drehzahlgeber eine selbstständige Anpassung und einen Werteabgleich im Schiebebetrieb des Motors durch. 10.2.2 Moment-Analyseverfahren Das Moment-Analyseverfahren erkennt, ebenso wie das Laufunruheverfahren, aus dem Signal des Motordrehzahlgebers und dem Nockenwellenpositionsgeber bzw. dem Zündzeitpunkt zylinderselektiv die Verbrennungsaussetzer. Der Unterschied zwischen den beiden Verfahren liegt in der jeweiligen Signalauswertung. Das Moment-Analyseverfahren vergleicht die Ungleichförmigkeit der Drehzahl mit festen Berechnungen im Steuergerät. Grundlage für diese Berechnungen sind das von Motorlast und Motordrehzahl abhängige Motordrehmoment, die Schwungmasse und die sich daraus ergebende charakteristische Motordrehzahl. Letztere muss für jeden Motortyp analysiert werden und im Steuergerät als Vergleichsgröße hinterlegt sein. 174

Das Grundprinzip dieser Analyse basiert auf folgendem Prinzip: Während der Verdichtung wird die Bewegungsenergie des Motors gebraucht, um das Kraftstoff-Luft- Gemisch zu verdichten. Dadurch sinkt die Drehzahl des Motors geringfügig ab. Anschließend erfolgt die Zündung, und die Motordrehzahl steigt durch die Beschleunigung des Kolbens leicht an. Bei jedem Verbrennungsvorgang entsteht so eine leichte Drehzahlschwankung zwischen Verdichtungstakt und Arbeitstakt. Betrachtet man alle Zylinder des Motors, überlagern sich die jeweiligen zylinderselektiven Drehzahlschwankungen, und es ergibt sich eine resultierende, motortypische, charakteristische Drehzahlkurve. Diese Kurve wird vom Drehzahlgeber erfasst und im Steuergerät durch Vergleich mit den gespeicherten charakteristischen Kurven kontrolliert. Liegen die Werte außerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen, wird die MIL angesteuert und ein Fehler gespeichert. Hinweise zur Aussetzererkennung und zum Readinesscode bei W12-Motoren von Audi und VW Aufgrund eines Zwei-Steuergeräte-Konzeptes ergeben sich beim Umgang mit den Diagnosesystemen und der Eigendiagnose des Systems einige Besonderheiten. Beide Motorsteuergeräte sind hinsichtlich der Eigendiagnose grundsätzlich eigenständig zu betrachten. Die Funktionsüberwachung der abgasrelevanten Bauteile erfolgt in dem Steuergerät, an dem das Bauteil angeschlossen ist. Das gilt auch für alle anderen Bauteile. Eine Ausnahme stellt die Verbrennungsaussetzer-Erkennung dar. Für die Aussetzererkennung ist nur das Steuergerät 2 zuständig. Das Motorsteuergerät 2 ist damit bei der Aussetzererkennung für beide Zylinderbänke zuständig. Verbrennungsaussetzer, die die Zylinderbank 1 betreffen, können nur im Motorsteuergerät 2 ausgelesen und gelöscht werden. Ist im Motorsteuergerät 2 ein Fehler abgespeichert, ist im Motorsteuergerät 1 der Fehler «Bitte Fehlerspeicher vom Motorsteuergerät 2 auslesen» abgespeichert. Diese Fehlermeldung lässt sich erst dann löschen, wenn kein Fehlereintrag im Motorsteuergerät 2 gespeichert ist. Voraussetzung für eine Diagnose ist, dass beide Steuergeräte denselben Softwarestand aufweisen, an die Wegfahrsperre angepasst und gleich codiert sind. 10.3 Überwachung der Katalysatorfunktion Katalysatoren sind die wichtigsten Bauteile moderner Abgasreinigungssysteme bei Ottomotoren. Die ständige Funktionsüberwachung ist eine wesentliche Anforderung an das OBD-System. Die Funktionsüberwachung erfolgt nur indirekt, da Sensoren zur direkten Messung der Schadstoffkonzentration im Abgas (noch) nicht serienreif zur Verfügung stehen. Durch Verwendung einer zweiten Lambda-Sonde, auch als Monitorsonde bezeichnet, hinter dem Katalysator und den Vergleich der Signalamplituden von Regelsonde und Monitorsonde erkennt das System mögliche Fehlfunktionen oder Unwirksamkeiten der Katalysatoren. Beide Lambda-Sonden können identisch aufgebaut sein. Die Monitorsonde ist einer geringeren Alterung und Belastung ausgesetzt und kann deshalb auch als Führungsregler der Lambda-Regelung ein- 175