JP5296592B2 - 排気ガスセンサのダイナミクスモデルの適応方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置および／または診断装置において、並行して、シミュレーションされたラムダ値が計算され、シミュレーションされたラムダ値と測定されたラムダ値の両方のラムダ値がユーザ機能によって利用される、内燃機関の排気ガス経路の構成部分であり、またこれを用いて空気／燃料組成の調節のためのラムダ値が定められる、排気ガスセンサのダイナミクスモデルを適応するための方法および装置に関する。

ラムダ制御は、触媒と組み合わされて、今日では火花点火機関のための有効な排気ガス浄化方法となっている。今日利用可能な点火システムおよび噴射システムと組み合わせて用いられることによって初めて、非常に低い排気ガス値の達成が可能となる。

三元触媒或いは選択的触媒の採用は特別に有効である。この触媒は、エンジンがλ＝１の理論的空気／燃料比のほぼ１％の領域内で運転される場合には、炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物を９８％以上まで分解する特性を有している。この際、このラムダ値は、実際に存在している空気／燃料混合気が値λ＝１からどれ程ずれているかということを示しており、ここで、λ＝１という値は、ガソリン１ｋｇにつき空気１４．７ｋｇの理論的に必要な質量比の完全燃焼のために必要な値に対応しており、従って、このラムダ値は送り込まれた空気量を理論的空気必要量で除算した商である。空気過剰の場合には、λ＞１（希薄混合気）となる。燃料過剰の場合には、λ＜１（過濃混合気）となる。

λ制御の際には、原則としてその時々の排気ガスが測定され、また送り込まれた燃料量および／または空気量が測定結果に応じて修正される。

提案されている方法は、主としてディーゼルエンジンに関しているが、そのディーゼルエンジンの場合には、惰行運転から負荷運転への移行の際にラムダ信号にかなりの電圧ジャンプが生じる。

測定センサとしてはラムダセンサが用いられるが、これは、一方ではいわゆる二点式ラムダセンサ或いは電圧ジャンプセンサとして、他方では連続式ラムダセンサ或いはワイドバンド・ラムダセンサとして構成することができる。これ等のラムダセンサの作用は、それ自体既に知られているように、固体電解質を有するガルバーニ電荷酸素濃度セルの原理に基づいている。二点式ラムダセンサの特性曲線は、λ＝１のときにセンサ電圧の急激な低下を示す。それ故、通常排気ガスマニホルドの直ぐ後ろに取り付けられている二点式ラムダセンサは、本質的に過濃排気ガスと希薄排気ガスの区別だけしかできない。それに対して、ワイドバンド・ラムダセンサは、λ＝１付近の広い範囲で排気ガス中のラムダ値の正確な測定ができる。これ等の二つのタイプのラムダゾンデは、セラミックのセンサエレメント、保護管から、又ケーブル、コネクタ、およびこれ等の要素間の接続部から、成り立っている。保護管は、開口部のある一つ又は複数のメタルシリンダから成り立っている。排気ガスは、拡散或いは対流によってこれ等の開口部を通って入り、センサエレメントに達する。その際、二つのタイプのラムダセンサのセンサエレメントは異なる構造を有している。

内燃機関の有害物質の少ない運転のためには、排気ガス組成を予め定められているラムダ値に合わせて迅速に調節することが重要である。このことは、とりわけ個別シリンダ制御式の内燃機関、即ち空気／燃料混合気が内燃機関のすべての個別シリンダに対して共通のラムダゾンデの信号に基づいて調節される内燃機関に対しても当てはまる。それ故、ラムダ測定は、ラムダゾンデに送られて来る、異なるシリンダの連続する排気ガス量の組成を確定してそれぞれのシリンダに割り当てることができるように、高い時間分解能で行われなければならない。

ラムダゾンデのダイナミクスは、ラムダ制御回路の選ばれた制御パラメータと区間パラメータの他に制御回路の速度を決定する。その際、新品状態ではラムダゾンデのダイナミクスは、共通の排気ガス経路内のすべてのシリンダに対して共通の一つのラムダゾンデを用いた個別シリンダ制御のためにも十分である。しかしながら、ラムダゾンデの動的特性は老化現象のために、排気ガス組成の決定の時間分解能が最早十分ではなくなるまで変化することがあり、このことがより高い有害物質の排出をもたらす。有害物質の排出が法律の基準値を外れている場合には、内燃機関の車載診断の範囲中でラムダゾンデのダイナミクスの異常が確認され、対応するエラー表示が行われる。多くの国では、規定された有害物質の限界値のオーバーをもたらすラムダゾンデの減速が生じた場合には、エラーランプを点灯させるような診断機能をエンジン制御装置に備えるという、自動車に対する法律的規則を要求している。米国では、監視されるべき動的特性値が、いわゆる反応時間、即ちゾンデ上での排気ガス中の酸素或いはオイルガスの濃度の変化からそれに対応するゾンデ信号の変化までの間の時間として、厳密に定められている。

従来技術からは、例えば測定されたラムダ信号と既知の変化の際に予想されるラムダ値の変化との比較等、多くの診断方法が知られている。

ＤＥ １０２ ６０ ７２１ Ａ１ には、例えば、少なくとも一時的に個別シリンダのラムダ制御のために利用されるラムダゾンデの動的特性を診断するための方法とこの方法に属している診断装置が記載されている。そこでは、ラムダ制御の少なくとも一つの調節パラメータが測定され、予め定めておくことのできる最大の閾値と比較され、この最大の閾値がオーバーされた場合には、ラムダゾンデの動的特性が個別シリンダ毎のラムダ制御への使用可能性に関して十分ではないと評価される。ラムダゾンデの動的特性は、個別シリンダ制御自体から測定することができる。何故なら、個別シリンダ毎の制御装置は、ラムダゾンデのダイナミクスが十分でない場合には、ずれてしまうからである。更に、実際のラムダ値の障害或いは狂いに的を絞ったテスト機能が備えられることもある。従って、この方法は、個別シリンダ・ラムダ制御付きの内燃機関のためにしか適していないか或いはこの方法はラムダ値に的を絞って制御することを要求している。

現在のダイナミクス診断では、通常、個別的に定められた信号ジャンプについて評価が行われる。排気ガスゾンデのダイナミクスを診断するための別の方法では、排気ガスゾンデを用いて測定されたラムダ値と並行してシミュレーションされたラムダ値が計算される。

動的な走行運転中でも、計算されたラムダ値を測定された値と比較することができるようにするためには、燃料運転時間並びに排気ガスゾンデの反応特性を考慮することが必要である。そのために、排気ガスマス流に応じて一次の遅延要素（ＰＴ１）によるラムダ値と無駄時間の位相逆転を行うモデルが存在している。この機能のモデルパラメータは適用の間に求められ、制御装置に格納される。これによって、計算された信号と測定された信号が同位相となり、且つそれによって比較可能となることが保証される。

この方法は、センサの使用時間の間、センサ特性が或る程度安定しているということを前提としている。センサの反応特性が、例えばセンサエレメント上へのすすの付着によって、変化した場合には、信号の変化は動的に最早互いに一致しなくなってしまう。その結果、シミュレーションされたラムダ信号と測定された信号の両方を使用しているユーザ機能は、動的に互いに適合しない入力信号で働くことになる。

応用機能の一つにいわゆるフューエル・マス・オブザーバ（Fuel Mass Observer：ＦＭＯ）があり、この機能は本出願人の併出願の中に詳しく記載されている。このフーエル・マス・オブザーバとは、制御技術的な異常監視装置、即ち異常値の制御に用いられる監視装置である。この監視装置の一つに、制御すべき／調節すべきシステムのモデルがある。このモデルは、出力値が実際のシステムの測定値と比較されることを特徴としている。シミュレーションされた信号と測定された信号との間の差、即ち見積誤差は、制御装置を通してモデルの入力側へ送り戻される。これによって、このモデルは、出力が実際のシステムの出力であるかのようにふるまうように制御される。

反応特性の上述の変化の結果として、ＦＭＯ出力信号には過度に大きな制御値の振れが生じることがある。そのような際には、例えば混合気が誤った時点で過濃化され或いは希薄化される。その結果、有害物質の排出の増加から、例えばターボチャージャーでの高い排気ガス温度による構成部品の損傷までの、様々な影響が生まれる。その変化は、センサの反応特性の極端な変化となって初めて、既に従来技術から知られているようなダイナミクス監視装置によって検知される。それによって初めて、ユーザ機能がその変化に対して反応することができる。

ＤＥ １０２ ６０ ７２１ Ａ１

従って、本発明の課題は、排気ガスゾンデの反応特性のずれをモデル特性の中で適用されている正常状態と比較して検知し且つ修正することのできる方法を提供することである。

本発明の方法に関する課題は、車の走行運転中にシステムの起動の際の信号変化の評価によって排気ガスセンサの電圧ジャンプ特性が決定され、この結果に基づいて排気ガスセンサのダイナミクスモデルが適応されることによって解決される。そのようなシステム起動は、この方法が主として適用されるディーゼル内燃機関の場合には、理想的には負荷／惰行移行時に行われる。

本発明の装置に関する課題は、制御装置および／または診断装置に格納されているプログラムを用いて車の走行中のシステムの起動の際の信号の変化を評価することによって排気ガスゾンデのジャンプ特性を確定することができ、且つこの結果に基づいて排気ガスゾンデのダイナミクスモデルを提供することができるということによって解決される。制御装置あるいは診断装置は、その最上位に配置されているエンジン制御装置の構成部品とすることができ、例えばディーゼル内燃機関の場合には電子式ディーゼル制御ユニット（Diesel-Kontroll-Einheit：ＥＤＣ）とすることができる。

本発明に基づく方法は、排気ガスゾンデの実際の反応特性の測定および計算されたラムダ値のモデルパラメータの修正に有効であり、それによって、測定されたラムダ値とモデル化されたラムダ値との一致がユーザ機能の観点からなお意味があると思われる限り、その一致をより良いものとするために有効である。モデルパラメータの意味のある追求が最早可能ではなくなるや否や、排気ガスゾンデのダイナミクスの車載診断機能がエラーを知らせなければならない。これによって従来技術に対して、ユーザ機能にとってなお許容可能なダイナミクスのずれを含む正常状態と排気ガスゾンデのダイナミクスに関する真のエラー状態との間で、正常状態と検知可能なエラー状態との間に存在する隙間を閉じることができる。これによって、新品の部品と許容差に関して診断可能な欠陥部品との間の領域内の有効信号を改善することができる。これによって、ディーゼル内燃機関の場合の空気システムおよび噴射システムのための修正信号の計算を改善することができる。

排気ガスゾンデのダイナミクスの悪化は、例えば、代表的な長期間作用であるすすの付着によるものであるから、好ましい、この方法のバリアントでは、ダイナミクスモデルの適応のために複数のシステム起動が複数の類似の条件の下で評価される。例えば、トンネル通過の際の短時間の間の障害作用の結果或いは高い空気湿度の結果としての測定エラーは、データベースを、好ましくは少なくとも１０回から１００回のシステム起動に基づいて作るようにすれば、統計に基づいて測定エラーを回避することができる。

その際、測定信号がシステム起動の前と後（例えば、負荷／惰行移行の後）で本質的に定常的であった、定められたシステム起動だけが評価されるようにすれば、有利となる。その際には、さもなければ評価の障害となったであろう動的作用は意図的にフェードアウトされる。

好ましい、この方法のバリアントでは、システム起動の評価結果がカタログに作成され（集計され）および／またはフィルタリングされる。その際、これは特定の基準、例えば排気ガスマス流に基づいて行うことができるので、最終的に、カタログに作成されおよび／またはフィルタリングされた評価結果から、ダイナミクスモデルのモデルパラメータの修正値を一つのマス流間隔の中で測定されたすべての値を考慮しながら、計算することができる。

その際、モデルパラメータの追跡（トラッキング）は、好ましくは連続的にあるいは複数の不連続なステップにおいて行うことができ、その際、追跡の際に出力値を制限することができる。

先に述べられた複数のバリアントを含む本発明の好ましい適用は、制御技術的な障害監視装置の最適化のためのモデルパラメータの適応を提案している。そのような障害監視装置の一つが、例えば上述のフューエル・マス・オブザーバ（ＦＭＯ）である。その際、とりわけ、計算されたラムダ値と測定されたラムダ値は、ＦＭＯに又その他のユーザ機能に可能最善の入力信号を与えることができるように、できるだけ長く同位相に保持されることができる。その際には、ゾンデが、例えばセンサエレメントの汚れによって、計算されたラムダモデル値からずれた動的特性を示しているときでも、ユーザ機能がより精確な出力信号を測定することができることが有利である。本発明の適用によって、とりわけフル負荷の際の有害物質の排出のばらつきの削減と、構成部品の保護がもたらされる。

本発明によれば、排気ガスセンサについてのダイナミクスのエラーが未だ検知されていないか或いは表示されていない間は、ユーザ機能によって求められた学習値が、モデルパラメータの適用の際に保持される。固定的に適用されたダイナミクスモデルを用いた従来の解決策では、ダイナミクスのエラーの検知とゾンデ交換の後でＦＭＯの学習値がリセットされなければならない。何故なら、それらの学習値は比較的長期間にわたって誤ったまま適用されていたからである。本発明に基づく方法に取り換えることによって、学習値のリセットは最早必ずしも必要ではなくなる。

この方法の適用は、排気ガスセンサとしてワイドバンド・ラムダセンサが用いられると、とりわけ有利となる。特にこのタイプのゾンデの場合、この方法は、ダイナミクスの診断に関して或いは排気ガスゾンデのためのダイナミクスモデルの適用の際に利点をもたらす。

ラムダ制御のための制御回路を備えた内燃機関の略図である。 本発明の適応方法の概略図である。 モデルパラメータの追跡（トラッキング）の手法を示す図である。 モデルパラメータのもう一つの追跡の手法を示す図である。

本発明が以下に、図示されている実施例に基づいて詳しく説明される。

図１は、本発明に基づく方法を適用することのできる技術分野を例示している。その際、この図は本発明の説明のために必要な構成部分だけに限定されている。

この図には、内燃機関１、特にエンジンブロック４０、このエンジンブロック４０に燃焼用空気を供給する給気路１０、から成るディーゼル内燃機関が示されており、その際、給気路１０内の空気量は、給気測定装置２０を用いて求めることができる。その際、内燃機関１の排気ガスは、主要構成要素として排気ガス経路５０を有する排気ガス浄化装置を通して案内され、この排気ガス経路内には、排気ガスの流れの方向に、場合によっては触媒７０の手前に第一の排気ガスゾンデ６０、場合によっては触媒７０の後方に第二の排気ガスゾンデ８０が配置されている。

排気ガスゾンデ６０、８０は制御装置９０と接続されており、この制御装置９０は、排気ガスゾンデ６０、８０からのデータと給気測定装置２０のデータからガス混合気を計算し、また燃料の計量配分のための燃料計量装置３０を制御する。診断装置１００が制御装置９０と結合されているか或いは制御装置９０に組み込まれており、診断装置１００によって排気ガスゾンデ６０、８０の信号を評価することができる。診断装置１００は更に、ここには図示されていない表示ユニット／記憶ユニットに接続されることができる。

エンジンブロック４０の後方の排気ガス経路５０に配置されている排気ガスゾンデ６０を用い、制御装置９０によって、排気ガス浄化装置にとって最適な浄化効果の達成のために適したラムダ値を調節することができる。排気ガス経路５０内の触媒７０の後方に配置されている第二の排気ガスゾンデ８０は、火花点火式内燃機関の場合に一般的であるが、同じく制御装置９０で評価され、且つ従来技術に基づく方法の場合に、排気ガス浄化装置の酸素吸蔵能力の確定のために役立つ。ディーゼル内燃機関の場合には、第一の排気ガスゾンデ６０は、排気ガス還流（ＡＧＲ）と噴射の適応のために用いられる。

代表例として、ここには内燃機関１が図示されているが、この内燃機関は一つの排気ガス経路５０しか備えていない。しかしながら、本発明に基づく方法は、シリンダが複数のグループにまとめられ且つ異なるシリンダグループの排気ガスがそれぞれ少なくとも一つの排気ガスゾンデ６０の組み込まれている別々の排気ガス経路５０の中を導かれるという、多バンク式排気ガスシステムを備えた内燃機関１にも及んでいる。

この方法は又、排気ガス流に関して問題の排気ガスゾンデ６０の上流側或いは下流側に別の排気ガスゾンデ、例えば図１の排気ガスゾンデ８０が組み込まれている場合にも及んでいる。しかしながら、この方法は、先ず第一に、内燃機関１の排気弁の、流れの方向に見て後方の、ラムダ制御のために用いられている第一のラムダゾンデを対象としている。本実施例では、排気ガスゾンデ６０は、ワイドバンド・ラムダゾンデ（或いはＬＳＵゾンデ）として作られている。

図２は、例えば内燃機関１の制御装置９０或いは診断装置１００に組み込むことのできる、本発明に基づく適応法２００の概略ブロック図を示しており、この機能はソフトウェアの形で実装されている。

この機能は、走行運転中の排気ガスゾンデ６０の信号反応特性のオンライン測定をベースとしている。そのために動的移行、例えば負荷交替、とりわけディーゼル内燃機関の場合には負荷／惰行移行、或いは、特殊信号のその他の動的起動が評価される。これはジャンプ応答の測定ブロック２１０およびジャンプ応答の評価ブロック２２０で行われ、その場合その後の処理のためには、特定の条件２１５を満たした値だけが援用される。それ故、例えば、測定信号が負荷／惰行移行の前と後で十分に定常的であったか否かということが評価された、いわゆる“有効”負荷／惰行移行の測定値だけが送り込まれる。

内燃機関１の従来の制御装置９０或いは診断装置１００に実装されている排気ガスゾンデ６０のダイナミクス監視とは異なり、本発明に基づく方法の場合には非常に多数の、一般的には少なくとも１０から１００の負荷／惰行移行が類似の条件の下で考慮される。そのために、ジャンプ応答の結果が集められ、カタログ化（集計）／信号フィルタリングブロック２３０で一定の基準２３５に従って複数のカテゴリーに分類される。その際、主たる基準は排気ガスマス流である。何故なら、排気ガスゾンデ６０の反応特性とガス流時間は、本質的にこの値（排気ガスマス流）に依存しているからである。

十分に大きなデータベースが求められれば、計算学習結果ブロック２４０と学習結果評価ブロック２５０で計算が、またモデルパラメータの修正ブロック２６０でダイナミクスモデルの適応が、測定されたすべての値を考慮しながらマス流間隔の間に行われる。

モデルパラメータ２７０のための追跡（トラッキング）は、図３に示されているように、システム基準値２８０に応じて複数の不連続のステップで行われるか、或いは図４に示されているように、常時、即ち連続的に行われることができる。この機能のスタート値の制限についても様々な手法を用いることができる。

本発明は、排気ガスゾンデの実際の反応特性と計算されたラムダ値のモデルパラメータの修正値の測定のために有効であり、またそれによって、測定されたラムダ値とモデル化されたラムダ値との一致がユーザ機能の観点からなお意味があると思われる限り、その一致をより正確なものとするために有用である。本発明に基づく方法並びに装置は、既に述べられたように、ディーゼルエンジンに適用されるが、更に、火花点火機関、火花点火機関とディーゼルエンジンの間の混合形態、異なる駆動装置の組み合わせ、いわゆる“ハイブリッド”、或いはガス機関に適用することができる。

１…内燃機関
１０…給気路
２０…給気測定装置
３０…燃料計量装置
４０…エンジンブロック
５０…排気ガス経路
６０、８０…排気ガスゾンデ
７０…触媒
９０…制御装置
１００…診断装置
２００…本発明に基づく適応法
２１０…ジャンプ応答の測定ブロック
２１５…特定の条件
２２０…ジャンプ応答の評価ブロック
２３０…カタログ化（集計）／信号フィルタリングブロック
２３５…基準
２４０…計算学習結果ブロック
２５０…学習結果評価ブロック
２６０…モデルパラメータの修正ブロック

Claims (12)

1. 内燃機関（１）の制御装置（９０）および診断装置（１００）の少なくともいずれかで、並行して、シミュレーションされたラムダ値が計算され、シミュレーションされたラムダ値と測定されたラムダ値の両方のラムダ値がユーザ機能によって利用される、内燃機関（１）の排気ガス経路（５０）の構成部分であり、これを用いて空気／燃料組成の調節のためのラムダ値が定められる排気ガスセンサ（６０）のダイナミクスモデルの適応方法において、
   車両の走行運転中に、負荷／惰行移行の際の信号変化の評価によって、排気ガスセンサ（６０）の電圧ジャンプ特性が決定され、且つこの結果に基づいて排気ガスセンサ（６０）のダイナミクスモデルが適応されることを特徴とする排気ガスセンサのダイナミクスモデルの適応方法。
2. ダイナミクスモデルの適応のために、複数のシミュレーションが類似の条件の下で評価されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. シミュレーションの前と後で測定信号に変化の無かった特定のシステムシミュレーションだけが評価されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. システムシミュレーションの評価結果が、カタログに作成されるか、フィルタリングされるか、の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. カタログに作成されるか、フィルタリングされるか、の少なくともいずれかの評価結果から、マスフロー間隔の中で測定されたすべての値を考慮して、ダイナミクスモデルのモデルパラメータのための修正値が計算されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. モデルパラメータの追跡が、連続的に行われることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. モデルパラメータの追跡が、複数の不連続なステップで行われることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
8. モデルパラメータが、追跡の際にパラメータの出力値に関して制限されることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. モデルパラメータの適応が、制御技術的な異常監視装置の最適化のために用いられることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. 排気ガスセンサ（６０）についてのダイナミクスエラーが、未だ検知されていないか或いは表示されていない間は、ユーザ機能によって求められた学習値が、モデルパラメータの適応の利用の際に保持されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 排気ガスセンサ（６０）としてワイドバンド・ラムダセンサが用いられることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 内燃機関（１）の制御装置（９０）および診断装置（１００）少なくともいずれかで、並行して、シミュレーションされたラムダ値が計算され、シミュレーションされたラムダ値と測定されたラムダ値の両方のラムダ値がユーザ機能によって利用される、内燃機関（１）の排気ガス経路（５０）の構成部分であり、これを用いて空気／燃料組成の調節のためのラムダ値を定めることのできる排気ガスセンサ（６０）のダイナミクスモデルの適応装置において、
    制御装置（９０）および診断装置（１００）の少なくともいずれかに格納されているプログラムを用いて、車両の走行運転中に、負荷／惰行移行の際の信号変化の評価によって、排気ガスセンサ（６０）の電圧ジャンプ特性を決定し、且つこの結果に基づいて排気ガスセンサ（６０）のダイナミクスモデルを適応させることを特徴とする排気ガスセンサのダイナミクスモデルの適応装置。

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