JP2015500419A - ガスセンサをダイナミック監視する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関のガスセンサをダイナミック監視する方法および装置に関するものであり、検出されるべきガス状態量が変化したときにモデル化された信号と測定された信号との比較に基づいてダイナミック診断が実行され、測定された信号はガスセンサの出力信号の実際値であり、モデル化された信号はモデル値である。【解決手段】ガスセンサの出力信号がハイパスフィルタによってフィルタリングされ、高周波信号成分が評価されることが意図される。本方法および本方法を実施する装置により、ガス濃度の増加と減少について統一された監視原理を提供することができ、この監視原理は、内燃機関の空気システムまたは燃料システムへの介入なしですませることができ、一方では、故障に対する高いロバスト性を有しており、他方では、低い複雑性ならびに低いアプリケーションコストという特徴がある。これは特に、惰行段階やアイドリングのない車両、たとえばハイブリッド車両などでも適用可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば排ガス監視・低減システムの一部として内燃機関の排ガス通路に排ガスプローブとして配置されている、あるいは内燃機関の供給空気案内部にガス濃度センサとして配置されている、内燃機関のガスセンサをダイナミック監視する方法に関するものであり、ガスセンサはジオメトリー、測定原理、経年劣化、または汚れに依存してローパス挙動を有しており、検出されるべきガス状態量が変化したときにモデル化された信号と測定された信号との比較に基づいてダイナミック診断が実行され、測定された信号はガスセンサの出力信号の実際値であり、モデル化された信号はモデル値である。

さらに本発明は、本方法を実施する装置に関する。

ガソリンエンジンを備える乗用車でエミッションを削減するために、通常、三元触媒装置が排ガス清浄化設備として利用されるが、このような三元触媒装置が十分に排ガスを変換するのは、空燃比λが高い精度で調整される場合に限られる。この目的のために、排ガス清浄化設備に前置された排ガスプローブによって、空燃比λが測定される。このような種類の排ガス清浄化設備の酸素の吸蔵能力は、リーン段階で酸素を受容してリッチ段階で再び放出するために活用される。それにより、排ガスの酸化可能な有害ガス成分を変換できるようにすることが実現される。排ガス清浄化設備に後置された排ガスプローブが、排ガス清浄化設備の酸素吸蔵能力を監視する役目を果たす。酸素吸蔵能力は、排ガス清浄化設備の変換能力を表す目安となるので、オンボード診断（ＯＢＤ）の枠内で監視されなくてはならない。酸素吸蔵能力を判定するために、排ガス清浄化設備がまずリーン段階で酸素により満たされ、引き続き、排ガス中の既知のラムダ値を有するリッチ段階で、通過する排ガス量を考慮したうえで空にされるか、または、排ガス清浄化設備がまずリッチ段階で酸素を空にされ、引き続き、排ガス中の既知のラムダ値を有するリーン段階で、通過する排ガス量を考慮したうえで充填される。リーン段階が終了するのは、排ガス清浄化設備に後置された排ガスプローブが、排ガス清浄化設備によってもはや吸蔵することができない酸素を検知したときである。同様にリッチ段階が終了するのは、排ガスプローブがリッチな排ガスの通過を検知したときである。排ガス清浄化設備の酸素吸蔵能力は、リッチ段階中に空にするために供給される還元剤の量に相当しており、ないしは、リーン段階中に充填のために供給される酸素の量に相当している。厳密な量は、前置されている排ガスプローブの信号と、別のセンサ信号から判定される排ガス質量流量とから算出される。

たとえば汚れや経年劣化に基づき、前置されている排ガスプローブのダイナミックが低下すると、空燃比を所要の精度で調整することができなくなり、そのために、排ガス清浄化設備の変換能力が低下する。さらに、排ガス清浄化設備の診断では誤差が生じる可能性があり、このような誤差は、それ自体として正しく作動している排ガス清浄化設備が、誤って機能性がないと判定されるという帰結につながる可能性がある。立法者は、走行動作中のプローブ特性の診断を要求しており、これは、求められる空燃比を引き続き十分に正確に調整することができ、エミッションが許容される限界値を上回ることがなく、排ガス清浄化設備が正しく監視されることを確保するためである。ＯＢＤＩＩ規定は、ラムダプローブやその他の排ガスプローブがその電気的な機能有用性に関して監視されるだけでなく、その反応挙動に関しても監視されることを要求しており、すなわち、増大する時間定数および／またはむだ時間によって感知できるようになるプローブダイナミックの劣化が認識されなければならない。排ガス組成の変化とその認識との間のむだ時間や遅延時間は、それがユーザー機能のために、すなわちプローブ信号を利用する制御機能、コントロール機能、監視機能のために、なおも許容されるか否かに関して、オンボード式にチェックされなければならない。排ガスセンサのダイナミック特性を表す特性量として、典型的な場合、混合気の変化から信号エッジまでのむだ時間が適用され、および、たとえば信号ストロークの０％から６３％まで、あるいは３０％から６０％までの特定の立上り時間が適用される。むだ時間は、エンジン吐出部からプローブまでのガス進行時間も含んでおり、したがって、特にセンサ取付位置が操作されたときに変化する。

ディーゼルエンジンでは、ガスセンサまたはガス濃度センサとして広帯域ラムダプローブが用いられ、および、ＳＣＲ触媒装置との関連ではＮＯ_ｘセンサも用いられる。後者は追加として同じくＯ_２信号を供給する。広帯域ラムダプローブやＮＯ_ｘセンサからのＯ_２信号は、ディーゼルエンジンの場合、排ガス後処理装置を作動させるために利用されるだけでなく、内燃機関のエミッション削減にも利用される。排ガス中の測定されたＯ_２濃度、ないし測定されたラムダ信号は、空気・燃料混合気をダイナミックに正確に調整し、そのようにして未処理エミッションの分散を最低限に抑えるために利用される。ＮＯ_ｘ吸蔵触媒装置（ＮＳＣ）を備えるディーゼルエンジンでは、再生のためのリッチ動作を高い信頼度で表現するために、触媒装置の前と後で広帯域ラムダプローブがそれぞれ必要である。内燃機関のエミッション削減およびＮＳＣ動作は、同じくＯ_２プローブのダイナミック特性に関して特定の最低要求事項を課すものである。Ｏ_２信号の立上り時間は、現在、負荷から惰行への移行時に監視されており、すなわち、空気の通常のＯ_２含有率を下回る特定のパーセンテージから２１％まで上昇したときに監視されている。センサ信号が最大時間後に特定の中間値にいちども達しないとき、このことは、むだ時間エラーとして解釈される。ＮＯ_ｘ吸蔵触媒装置（ＮＳＣ）を備えるディーゼルエンジンでは、そのほか、触媒装置の前後におけるラムダプローブの反応挙動が比較されるのが普通である。

次の車両世代ないしモデル年度については、Ｏ_２濃度が低下するときのセンサダイナミックの監視も要求されるものと予想される。さらに、ハイブリッド車両では将来的に惰行段階がもはや与えられず、したがって２１％の一定のＯ_２濃度を有する段階も与えられない。このような追加要求に対する最初の取り組みは、特許文献１における能動的な監視ならびに特許文献２におけるオブザーバベースの手法である。

特許文献２より、広帯域ラムダプローブのダイナミック特性を監視する方法が公知となっており、この場合、広帯域ラムダプローブにより、内燃機関の排ガス中の酸素濃度に相当する測定されたラムダ信号が判定され、内燃機関には、モデル化されたラムダ信号を特性量から生成するオブザーバが付属しており、モデル化されたラムダ信号と測定されたラムダ信号との差異から、または、モデル化されたラムダ信号から導き出される信号と測定されたラムダ信号から導き出される信号との差異から、オブザーバでモデルに前置されているコントローラの入力量としての見積りエラー信号が形成される。このとき、むだ時間と反応時間とを特徴づける広帯域ラムダプローブのダイナミック特性を表す目安が、見積りエラー信号もしくはこれから導き出される量の評価から決定され、ダイナミック特性を表す目安が所定の限界値と比較されて、広帯域ラムダプローブのダイナミック特性が、内燃機関の意図される動作のためにどの程度まで十分であるかを判断することが意図される。

さらに特許文献３には、ＬＳＵダイナミックモデルのオンラインアダプションをする方法および装置が記載されている。具体的には、同文献が対象とするのは、内燃機関の排ガス通路の構成要素であり、空気・燃料組成をコントロールするためのラムダ値が判定される、排ガスプローブのダイナミックモデルを順応化する方法および装置であり、内燃機関の制御装置ないし診断装置ではこれと並行してシミュレーションされたラムダ値が算定され、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とが両方ともユーザー機能によって利用される。このとき、車両動作の進行中にシステムが励起されたときの信号変化を評価することで排ガスプローブの飛躍的挙動が判定され、この結果をもとにして排ガスプローブのダイナミックモデルが順応化されることが意図される。

このときセンサ特性を識別するために、広帯域ラムダプローブのダイナミック監視のための既知の関数が援用される。排ガスセンサのその他のガス濃度信号については、たとえばＮＯ_ｘ信号については、Ｏ_２信号ないしＯ_２センサについてと同等の要求事項が適用される。したがって、それぞれの監視関数の間には類似性想定することができる。

特許文献１に記載の方法は能動的な監視である。この監視は、燃料消費量とエミッションを両方とも高めるテスト噴射による励起を含んでいる。特許文献２に記載の方法は、受動的に作動するものではあるが、いわゆるオブザーバを前提条件とするものであり、その適用には高いコストがかかる。さらに、これら両方の方法は、一義的には、比較的大きいむだ時間変化の認識を目指している。

ドイツ特許出願公開第１０２００８００１１２１Ａ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００８０４０７３７Ａ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００８００１５６９Ａ１号明細書

したがって、次のような要求事項の少なくとも一部を満たす、ガスセンサのためのダイナミック監視を提供するという課題がある：
・ 立上り時間の診断ないし識別に対する特別な適性、
・ ガス濃度の増加と減少について統一された監視原理、
・ 受動的な方法、すなわち内燃機関の空気システムまたは燃料システムへの介入なし、
・ 惰行段階やアイドリングのない車両（たとえばハイブリッド車両）の場合にも適用可能、
・ 関連する認証周期での高い適用可能性、
・ 故障に対する高いロバスト性、および、
・ 低い複雑性、ならびに低いアプリケーションコスト。

さらに本発明の課題は、本方法を実施する相応の装置を提供することにある。

方法に関わる課題は、ガスセンサの出力信号がハイパスフィルタによってフィルタリングされ、ガス濃度なども含めた測定されるべきガス状態量が変化したときに高周波信号成分が評価されることによって解決される。このとき変化は、内燃機関の励起によって行うことができる。この方法により、ガスセンサにおけるダイナミックに関わる変化を検証、判定することができる。本発明の意味におけるガスセンサとは、ガスの状態を測定し、ないしは変化を検知することができるセンサをいう。このときガスの状態は、ガスの温度、ガス圧、ガス質量流量、および／または特定のガス成分の濃度、たとえば酸素含有率やＮＯ_ｘ含有率などを表すことができる。ガスセンサは、特にその構造のジオメトリーに依存して決まる、典型的なローパス挙動を有している。さらに、このような種類のセンサは経年劣化や外的要因に基づき（たとえばディーゼルエンジンにおけるカーボン付着の結果として）、その反応挙動を変化させることがある。時間の枠内では、減少していく限界周波数は立上り時間の増大として顕現し、すなわち、励起が変化しなければ信号エッジは低い角度になる。したがって、プローブと適当なハイパスフィルタを、たとえば１次ハイパスフィルタを直列につなげば、たとえばガス濃度のような測定されるべきガス状態量が急激に変化したときに、ハイパスフィルタの出力信号を手がかりにして、ローパスフィルタの限界周波数がハイパスフィルタの限界周波数よりも高いか低いかを認識することができる。センサが経年劣化や外部要因により反応を鈍らせると、ガス状態量が変化したときに高周波信号成分がわずかしか判定されなくなり、もしくはまったく判定されなくなる。センサが高い程度のダイナミックを有していれば、このことは比較的高い高周波信号成分に作用するので、この指標を用いてダイナミック診断を具体化することができる。提案される方法により、たとえばガス濃度のようなガス状態量の増加と減少について統一された監視原理を提供することができ、この監視原理は受動的であり、すなわち、内燃機関の空気システムや燃料システムへの介入なしにすますことができ、これは従来のダイナミック診断方法でも該当することである。本方法は、一方では不具合に対して高いロバスト性を有している。他方では、本方法は複雑性が低く、アプリケーションコストが小さいことを特徴としている。したがって、課題設定のところで冒頭に述べた要求事項を同時に満たすことができる。

１つの好ましい方法態様では、内燃機関に供給される空気・燃料混合気の空燃比が変化したときに、ガスセンサのダイナミック診断が行われる。その際には、高周波信号成分が評価される。

低速のセンサと不十分な励起との間で区別をできるようにするためには、監視されるべきセンサそのものの信号を利用することなく、測定されるべきガス状態量の変化速度が判定されなければならない。したがって１つの好ましい実施態様では、ガスセンサの高周波信号成分が、ガスセンサのモデルに由来する相応にハイパスフィルタリングされた出力信号と比較され、この比較を参照してガスセンサのダイナミックが推定されることが意図される。広帯域ラムダプローブまたはＮＯ_ｘセンサのＯ_２信号の場合、そのために、空気と燃料の質量が入力量として、排ガス中の残留酸素濃度を予測するモデルに供給される。このモデルは、通常はむだ時間と組み合わされた、典型的なローパス挙動を有するガスセンサを模倣している。そして両方のハイパス出力を比較することで、実際のセンサの機能有用性を推定することができる。たとえばＮＯ_ｘ信号のような別のガス濃度の場合には、追加の未処理エミッションモデルを利用することが必要になることがある。

１つの好ましい方法態様では、ガスセンサの高周波信号成分だけでなく、モデルの高周波信号成分も２乗ならびに積分され、それにより高周波エネルギー成分が算出され、次いで、これらのエネルギー成分が比率で表され、このようにして算出されたエネルギー比率を参照してガスセンサのダイナミック挙動が推定されることが意図される。２乗されたハイパスの出力信号よりも下の面積が狭いほど、プローブないし励起は低速になる。信号エネルギーの別案として、信号エネルギーと密接に関連する量を形成して比率で表すこともできる。たとえば信号エネルギーに代えて信号エネルギーの根を利用することもでき、あるいは、ハイパス出力信号の値を積分することもできる。

ガスセンサおよび／またはモデルないしその入力信号の乗算誤差が信号比較を狂わせないようにするために、それぞれのエネルギー成分の正規化が行われるのが好ましい。ガスセンサまたはモデルないしその入力信号の加算誤差は、影響を及ぼさない。ハイパスは信号の定常成分を抑圧するからである。

信号エネルギーの判定にあたって、両方の信号について個別的な積分時間Δｔにより高周波信号成分の積分が行われることが意図されていてよく、両方の信号の積分の開始の時点は、出力信号の立上り信号エッジでも立下り信号エッジでもトリガされる。センサ信号の立上りエッジと立下りエッジを別々に監視する必要がない場合には、本発明による方法を簡素化することができる。その場合には別案として、両方の経路での積分を任意の時点で開始し、時間Δｔについて実行することが可能である。その前提条件となるのは、たとえば移り変わるエンジン動作点によって引き起こされる、ガス濃度のような測定されるべきガス状態量の変化による十分な励起だけにすぎない。つまり時間インターバルΔｔは、複数の立下りエッジと立上りエッジを含むことが許される。そして正規化のために、それぞれの最大値と最小値をΔｔの間に両方のハイパス入力で検出する。

１つの好ましい方法態様は、特定の定常点を起点としたうえで、信号エッジの開始時に適用可能な信号ストロークが待機されてから、積分が開始されることを意図している。監視前の一時的な定常動作は、プローブとモデルの信号エッジが、むだ時間の相違があるときでも、同一の励起によって引き起こされることを保証する。このことは特に、排ガスプローブの取付位置が操作されている場合に重要である。

エネルギー比率が、限界値のセンサダイナミックを表す適用可能な閾値と比較されると、非常に簡単にダイナミック診断を実行することができ、このとき閾値と、センサのモデルで選択されるモデル時間定数Ｔ_Ｍとは相互に依存している。Ｔ_Ｍがすでに限界値のセンサダイナミックに相当しているとき、適切な閾値は１であるので、その適用は不要となる。それに対してモデル時間定数Ｔ_Ｍが十分に高速のガスセンサ、たとえば定格センサに相当しているとき、エネルギー比率についての監視限界は１を下回る。エネルギー比率≧閾値であるケースについては、センサは適正であるとみなすことができ、エネルギー比率≦閾値であるケースについては、センサは不具合があるとみなすことができる。

センサのダイナミックを表す特性量は、通常に、ガス質量流量、ガス容積流量、ないしガス速度に依存して決まる。広いエンジン動作領域で診断が高い弁別性を有するようにしたいときには、それぞれ異なるフィルタ時間定数および／または閾値も、上に挙げたガスの状態量に依存して追従制御されるのが好都合である。モデルが限界プローブをシミュレートするのでなく、十分に高速のプローブを、すなわちたとえば定格プローブをシミュレートする場合、このことは監視閾値についても当てはまる。

励起が不足しているとき、エネルギー比率の分子および／または分母がゼロに近い値またはゼロに等しい値をとるというケースが原理的には起こり得る。測定されるべきガス状態量が変化したとき、たとえば内燃機関の負荷変動が起きたとき、十分な励起があるかどうかに関して検査を行い、モデル信号においてエッジ急峻度が信号変化の正負記号に依存して、適用可能な閾値と比較されることにより、ゼロによる除算を回避することができる。別案として、モデルの入力量のエッジ急峻度が評価されることによって、十分な励起があるかどうかに関する検査を行うこともできる。

診断方法の拡張として、センサ時間定数Ｔ_Ｓの反復式の識別が行われ、モデル時間定数Ｔ_Ｍが信号成分のエネルギー比率またはこれに依存する量に依存して複数のステップで順応化されることが追加的に意図されていてよい。そのためにモデル時間定数Ｔ_Ｍが開始値Ｔ_ｉｎｉｔにより初期化され、エネルギー比率に依存して積分の後ごとに複数のステップで修正される。反復手続の収束を促進または遅延させるために、エネルギー比率に依存することに代えて、これに依存する量に依存して順応化を行うことができる。

別案の方法態様では、センサ時間定数Ｔ_Ｓの識別を、特性マップに記録されている時間定数Ｔ_Ｓの値または比率値Ｔ_Ｓ／Ｔ_Ｍによって行うことができ、入力量として、エネルギー比率とモデル時間定数Ｔ_Ｍの数値ペア、またはそのつど算出されるエネルギー比率の分子と分母の数値ペアが利用される。このような方式は、特に低い計算コストという観点からして好ましく、したがって、識別結果が出るまでの時間に関しても好ましい。

本発明の診断方法は、排ガス監視・低減システムの一部としての、またはたとえばインテークマニホルドのような内燃機関の供給空気案内部にある、内燃機関の排ガス通路の排ガスプローブとして、ガス圧力センサ、ガス温度センサ、ガス質量流量センサ、またはガス濃度センサとしてガス状態量ないし濃度を検出するガスセンサで特別に好ましく適用することができる。このようなエミッション関連のガスセンサは、冒頭に述べた要求事項に基づき、そのダイナミックや全般的な機能に関して監視されなくてはならない。たとえばガス圧力センサの反応挙動を監視して、たとえばインテークマニホルドへのガス圧力センサの結合部が詰まったり折れたりしたときに、ダイナミックの低下を検知することができる。ガス温度センサまたはガス質量流量センサは、たとえばホットフィルム・エアマスメータとして内燃機関の供給空気案内部の内部に施工されていてよく、汚れの結果としてのダイナミック損失を記録することができる。このようなセンサの信号について適当なモデルを表すことができる限りにおいて、本発明による方法を、上にその各方法態様について説明したように、好ましく適用することができる。

ガスセンサとしては、特に、混合ガス中の酸素含有率を決定することができる、広帯域ラムダプローブ（ＬＳＵプローブ）またはＮＯ_ｘセンサの形態の排ガスプローブが考慮の対象となる。広帯域ラムダプローブまたは連続式のラムダプローブとして施工された排ガスプローブについては、診断をするために、上に説明した各方法態様に準じて、測定された酸素濃度が、モデル化された酸素濃度と比較されるのが好ましい。別案として、このような比較のためにラムダ値の逆数を利用することもできる。そのようなラムダ値の逆数は、酸素濃度と近似的に比例しているからである。酸素濃度と比例している電気量、すなわちセンサないし付属の回路における電圧や電流も、同様に適している。その場合、比較のために援用されるモデル信号も、相応に換算されなくてはならない。窒素酸化物センサについては、実際値として、窒素酸化物センサの出力信号が評価され、モデル値はモデル化されたＮＯ_Ｘ値から決定される。したがってこのような診断は、排ガス清浄化設備が触媒装置および／または窒素酸化物還元装置を有しているガソリンエンジンまたはリーンエンジンで、特別に好ましく適用することができる。排ガス清浄化設備の後に組み付けられているガスセンサでは、関心の対象となるガス濃度に及ぼされる排ガス清浄化の影響をモデルで考慮しなければならない。別案として、関心の対象となるガス濃度に対して排ガス清浄化が影響を及ぼすことがない段階でのみ、診断を行うことも考えられる。

上に説明した各態様を有する本方法のさらに別の用途は、一般に、時間定数ならびに場合によりむだ時間を有する一次フィルタによってプロセスを近似することができ、低速になったセンサの挙動を増やされたフィルタ時間定数によって記述することができる、少なくとも１つのセンサを備えるプロセスで意図されていてよい。原則としてこの場合にも、センサの反応挙動の判定に関して上に説明した利点がもたらされる。これに加えて、このようなプロセスをそのコントロール挙動に関して改善することができ、それは、そのコントローラが変化した時間定数に合わせて適合化されることによる。

上に説明した各態様を有する本方法の１つの好ましい用途は、アイドリング動作段階や惰行段階を有していないハイブリッド車両、たとえばディーゼルハイブリッド車両での適用を意図している。特別に強調されるべきは、テスト噴射が必要ではなく、特別なエンジン動作状態が要請される必要もないので、ハイブリッド車両での適用は、燃費やＣＯ_２還元の潜在的可能性が縮小されないということである。

上に説明した各態様を有する本方法のさらに別の好ましい用途は、いわゆるセーリング動作を有している車両での適用を意図している。このような種類の車両でも、惰行動作が同じくほぼ不要となる。惰行でエンジンを牽引する代わりに、セーリング動作ではクラッチが開き、エンジンがアイドリングし、車両がその慣性に基づいて動く。この場合にも、燃費とＣＯ_２還元の著しい潜在的可能性がもたらされる。

装置に関わる課題は、本発明による方法を実施するために診断ユニットが設けられており、該診断ユニットは、測定されるべきガス状態量が変化したときに高周波信号成分を評価するためのハイパスフィルタと、ローパス挙動を備えるセンサについての少なくとも１つのモデルと、計算ユニット、たとえば積分ユニット、コンパレータ、および場合により特性マップユニットとを、上に説明した各方法態様に基づくダイナミック診断の実施のために有していることによって解決される。診断ユニットの機能性は少なくとも部分的にソフトウェアベースで施工されていてよく、診断ユニットは別個のユニットとして、または上位のエンジン制御部の一部として設けられていてよい。

次に、図面に示されている実施例を参照しながら、本発明について詳しく説明する。図面は次のものを示している：

本発明による方法を適用することができる技術的環境を示す模式図である。 高速および低速のガスセンサについてのそれぞれボード線図である。 高速および低速のガスセンサについてのそれぞれボード線図である。 本発明に基づくダイナミック診断回路のブロック図である。 さまざまな信号経路についての推移グラフである。 プローブ時間定数Ｔ_Ｓの反復式の識別についてのフローチャートである。

図１は、排ガスプローブ１５を診断する本発明の方法を適用することができる技術的環境を、ガソリンエンジンを例にとって模式的に示している。内燃機関１０に空気が供給空気案内部１１を介して供給され、その質量が空気質量計１２によって判定される。空気質量計１２はホットフィルム・エアマスメータとして施工されていてよい。内燃機関１０の排ガスは排ガス通路１８を介して運び出され、排ガスの流動方向で見て内燃機関１０の後に、排ガス清浄化設備１６が設けられている。排ガス清浄化設備１６は、通常、少なくとも１つの触媒装置を含んでいる。

内燃機関１０を制御するためにエンジン制御部１４が設けられており、このエンジン制御部は、一方では燃料調量部１３を介して内燃機関１０に燃料を供給し、他方では、空気質量計１２および排ガス通路１８に配置された排ガスプローブ１５ならびに排ガス通路１８に配置された排ガスプローブ１７の信号の供給を受ける。排ガスプローブ１５は、図示した例では、内燃機関１０に供給される燃料・空気・混合気のラムダ実際値を判定する。この排ガスプローブは、広帯域ラムダプローブまたは連続式のラムダプローブとして製作されていてよい。排ガスプローブ１７は、排ガス清浄化設備１６の後の排ガス組成を判定する。排ガスプローブ１７は、ジャンププローブまたはバイナリープローブとして構成されていてよい。

排ガスプローブ１５の改善されたダイナミック監視という観点から、本発明によると、内燃機関１０の負荷変動が生じたとき、排ガスプローブ１５の濃度変化の高周波成分がまだ認識されるかどうかを検査するために、ハイパスフィルタおよびローパスフィルタを利用することが意図される。このような種類のガスセンサは、特にその保護チューブのジオメトリーに依存して決まる典型的なローパス挙動を有している。さらにディーゼルエンジンでは、このような保護チューブにカーボン付着が起こることがあり、それによってセンサの帯域幅が減少する。時間の枠内では、減少していく限界周波数は大きな立上り時間として顕現し、すなわち、励起が変化しなければ信号エッジは低い角度になる。したがってプローブと適当なハイパスフィルタを直列につなげれば、急激な負荷変動が生じたとき、ハイパスの出力信号を手がかりにして、ローパスの限界周波数がハイパスの限界周波数よりも高いか低いかを認識することができる。

図２ａと２ｂは、ボード線図２０を用いて機能原理を模式的に示している。図示されているのは、周波数領域で簡素化して線スペクトルとして特徴づけられている２つの周波数成分を有する入力スペクトル２１、ならびに一次ハイパス２３であり、その伝達関数は次式
Ｇ（ｊω）＝Ｔ_Ｆｊω／（Ｔ_Ｆｊω＋１） （１）
によって記述することができ、ここでＴ_Ｆはフィルタの限界周波数（フィルタ限界周波数２４）である。排ガスプローブ１５の限界周波数が一次ハイパス２３の限界周波数Ｔ_Ｆを上回ると、直列回路はバンドパスのように振るまい、すなわち、排ガスプローブ１５の入力スペクトル２１の高い周波数はまだ通過され、出力スペクトル２２で検知することができ、その様子は図２ａに模式的に示されている。それに対して、ダイナミック損失の結果として、排ガスプローブ１５の限界周波数が一次ハイパス２３の限界周波数Ｔ_Ｆを下回ると（フィルタ限界周波数２４）、直列回路は全部の周波数を遮断し、その結果、出力スペクトル２２ではいかなる周波数成分も測定することができなくなる（図２ｂ）。付言しておくと、このような線スペクトルは原理を説明するためのものにすぎない。排ガスプローブ１５の実際の周波数スペクトルは、連続的に推移する周波数成分によって記述することができる。

原則として、本発明は一次ハイパスフィルタだけに限定されるものではない。むしろ、これ以外の任意のハイパスフィルタも適用することができる。ローパスフィルタが排ガスプローブ１５そのものを含めて別様にパラメータ化されているとき、たとえば時間定数に代えて限界周波数によりパラメータ化されているとき、あるいは高い次数を有しているとき、同様に監視方式を適用可能である。

低速の排ガスプローブ１５と不十分な励起との間で区別をできるようにするために、排ガス組成の変化速度が判定されなければならず、このことは、たとえば広帯域ラムダプローブのケースでは、空気や燃料の質量変化を参照して行うことができる。このことは、フィルタの類似の直列回路によって行うことができる。広帯域ラムダプローブの場合、そのために前述した質量をＯ_２濃度に換算し、機能性のある排ガスセンサに相当するローパスフィルタによって遅延させるだけでよい。そしてこのようなローパスフィルタを、実際のプローブと同じ伝達関数を有するハイパスと直列に接続することができる。そして、これら両方のハイパス出力を比較することで、実際のセンサの機能有用性を推定することができる。これ以外のガス成分の場合、追加の未処理エミッションモデルを使用することが必要になることがある。

図３は、１つの好ましい方法態様における上に説明した原理の機能性を、ブロック図３０として示している。図示されているのは、上側部分では、排ガスプローブ１５で測定された酸素濃度３１についての経路である。むだ時間Ｔ_ｔないしプローブ定数Ｔ_Ｓをもつ一次ローパスフィルタによって表すことができる、実際のガス進行時間とプローブ遅延３２の結果として、実際の酸素濃度３１から酸素プローブ信号３２．１が生じる。プローブ・ガス進行時間３２の伝達関数は次の関係によって求められ、ここでＫ_Ｓはプローブの増幅係数である：
Ｇ（ｊω）＝Ｋ_Ｓｅｘｐ（−Ｔ_ｔｊω）／（Ｔ_Ｓｊω＋１） （２）
Ｋ_Ｓは通常、生産のばらつきや経年劣化により引き起こされる、プローブの乗算誤差または傾斜誤差に相当している。ただしプローブ信号として酸素濃度が用いられるのでなく、これと比例する量が用いられるときには、Ｋ_Ｓはプローブ信号を酸素濃度に換算するための相応の伝達係数であり、次元が付随していてもよい。次いで、酸素プローブ信号３２．１が、伝達関数が図２ａないし２ｂの一次ハイパス２３に相当しているハイパス３３によりフィルタリングされ、乗算器３４により２乗され、このことは信号出力に相当する信号をもたらす。次いで、この信号が積分器３５により積分され、その結果、測定された酸素含有率の高周波エネルギー成分の信号エネルギー３５．１が得られる。これに後置された正規化・除算ユニット３６で、モデル式に決定された値について相応に前処理された信号との比較から、高周波エネルギー成分を表す成分目安となるエネルギー比率３６．１Ｅが得られる。

モデル式に決定されるエネルギー値の前処理は、ブロック図３０の下側部分に示されている。空気質量３７ｍ_Ｌおよび燃料調量１３についての目標燃料質量３８ｍ_Ｋから、除算ユニット３９での化学量論上の修正の後に商が形成されて、ラムダ値が算定される。燃料質量３８は、運転者が設定して燃料の量に換算されるトルク希望から得ることができる。換算ユニット４０で、ラムダ値から計算上の酸素含有率４０．１が算定される。モデル４１に基づき、次の伝達関数
Ｇ（ｊω）＝ｅｘｐ（−Ｔ_ｔＭｊω）／（Ｔ_Ｍｊω＋１） （３）
により、モデル化された酸素含有率４１．１が算出され、ここでＴ_ｔＭはモデルむだ時間であり、Ｔ_Ｍはモデル時間定数である。

次いで、モデル化された酸素含有率４１．１が、伝達関数が図２ａないし２ｂの一次ハイパス２３の伝達関数に相当している別のハイパス３３によりフィルタリングされ、別の乗算器３４により２乗され、このことは、信号出力に相当する信号をもたらす。次いで、この信号が別の積分器３５により積分され、その結果、モデル化された酸素含有率の高周波エネルギー成分についての信号エネルギー３５．１が得られる。

２乗された信号の積分は、それぞれのＯ_２信号３２．１，４１．１の高周波成分のエネルギーを表す目安をもたらす。ハイパス３３の２乗された出力信号よりも下の面積が小さくなるほど、プローブないし励起は低速になる。信号エネルギーの代替として、信号エネルギーと密接に関連する量を形成して比率で表すこともできる。たとえば信号エネルギーに代えて、信号エネルギーの根を利用することもでき、またはハイパス出力信号の値を積分することができる。エネルギー比率が１であるとき、すなわちガスセンサとモデルのダイナミック挙動が同じであるとき、このような種類の代替量の比率は１でなければならない。

ガスセンサおよび／またはモデルないしその入力信号の乗算誤差が信号比較を狂わせないようにするために、このような誤差は正規化により次のようにしてほぼ除去される。それによると、エネルギー比率３６．１Ｅは次のように表すことができる：

式中、Ｕ_ＳとＹ_Ｓはプローブの信号経路におけるハイパス入力ないしハイパス出力を表しており、Ｕ_ｍとＹ_ｍはモデル経路におけるその対応物を表している。すなわち、Ｕ_Ｓは酸素プローブ信号３２．１に相当し、Ｕ_ｍはモデルに基づく計算上の酸素含有率４０．１に相当する。比率を形成することで、励起の信号ストロークの影響も同じく除去される。

両方の信号経路での積分は必ずしも同時に行われなくてよく、異なるむだ時間が診断結果に影響を及ぼさないように開始することができる。

図４は、立下りエッジにおける積分の開始の時点５５，５６ｔ_１，ｔ_０を推移グラフ５０で一例として示している。図示されているのは、センサの信号推移５３とモデルの信号推移５４についての、時間５２に依存する信号の大きさである。特定の定常点を起点として、信号エッジの開始時にまずある程度の信号ストロークが経過してから、積分が開始される。個別的な積分時間は、両方の経路についてそれぞれ異なる長さであってよい。さらに、立上り信号エッジで積分が開始され、そして相応にプロセスが進められることが意図されていてよい。監視前の一時的な定常動作は、むだ時間の相違があるときでも、プローブとモデルの信号エッジが同一の励起によって引き起こされることを保証する。このことは特に、排ガスプローブ１５の取付場所が操作されている場合に重要である。

センサ信号の立上りエッジと立下りエッジを別々に監視する必要がない場合、すなわちいわゆるピンポイントな監視が必要ではない場合には、本発明による方法をそれ自体として簡素化することができる。その場合には別案として、両方の経路での積分を任意の時点ｔ_０で開始し、時間Δｔについて実行することが可能である。その前提条件となるのは、たとえば移り変わるエンジン動作点によって引き起こされる、測定されるべきガス濃度ないしガス状態量の変化による十分な励起だけにすぎない。つまり時間インターバルΔｔは、複数の立下りエッジと立上りエッジを含むことが許される。そして正規化のために、それぞれの最大値と最小値をΔｔの間に両方のハイパス入力で検出する。そして、診断および／または識別のためのエネルギー比率３６．１Ｅは、次のようになる：

式中、
Ｕ_ｓ／ｍ ＝プローブで測定された／モデルから判定されたＯ_２濃度
Ｙ_ｓ／ｍ ＝ハイパス出力信号 プローブ／モデル
Ｕ_{ｓ／ｍ，ｍａｘ} ＝インターバルΔｔにおけるハイパス入力信号の最大値
Ｕ_{ｓ／ｍ，ｍｉｎ} ＝インターバルΔｔにおけるハイパス入力信号の最小値
Δｔ＞＞Ｔ_ｔＭ，Ｔ_ｔ、すなわち積分時間＞＞モデルむだ時間Ｔ_ｔＭないしプローブむだ時間Ｔ_ｔ

そしてエネルギー比率３６．１Ｅの値から、次のようにして排ガスプローブ１５のダイナミックエラーを推定することができる：信号エネルギー３５．１の上記の商が１よりも大きい値になるとき、実際のプローブがモデルよりも高速である。この分数が１よりも小さいときには、実際のプローブがモデルよりも低速である。

そして上記のエネルギー比率３６．１Ｅが、限界プローブのダイナミックを表す閾値と比較される。この閾値は、モデル時間定数Ｔ_Ｍがどのように選択されているかに依存して決まる。Ｔ_Ｍがすでに限界値のセンサダイナミックに相当しているとき、適切な閾値は１であるので、その適用は不要となる。それに対してモデル時間定数Ｔ_Ｍが十分に高速のガスプローブ、たとえば定格プローブに相当しているとき、適切な閾値は１を下回る。エネルギー比率３６．１Ｅ≧閾値であるケースについては、排ガスプローブ１５は適正であるとみなすことができ、エネルギー比率３６．１Ｅ≦閾値であるケースについては、排ガスプローブ１５は不具合があるとみなすことができる。

励起が不足しているとき、式（４）のＥの分子および／または分母がゼロになるというケースが原理的には起こり得る。十分な励起が行われているかどうかに関して検査を行うことにより、ゼロによる除算を回避することができる。そのために、たとえばモデル経路を場合により追加的に定格プローブについて具体化し、計算上の酸素含有率４０．１ないしモデル化された酸素含有率４１．１が十分なエッジ急峻度を有しているかどうかを検査することができる。このような検査の１つの好ましい態様では、対応するハイパス出力が、正のエッジのとき、計算上の酸素含有率４０．１ないしモデル化された酸素含有率４１．１について何らかの正の閾値を上回っているかどうかが確認され、または、負のエッジの場合には特定の負の閾値を下回っているかどうかが確認される。

本発明を拡張することができ、それにより、プローブ時間定数Ｔ_Ｓの反復式の識別も可能となる。図５は、機能の進行手順をフローチャート６０として示している。

そのために初期化ユニット６１で、モデル時間定数Ｔ_Ｓが開始値Ｔ_ｉｎｉｔにより初期化され、その後、積分が行われるごとにエネルギー３６．１Ｅの依存性が修正される。そのために機能ユニット６２で、値Ｅ_ｋの測定と評価によって決定される。次式が成り立つ：
ｋ＝１，Ｔ_Ｍ，ｋ＝Ｔ_ｉｎｉｔ （６）

Ｔ_Ｍが求める値Ｔ_Ｓよりも大きいとき、プローブはモデルよりも高速であり、エネルギー比率３６．１Ｅは１より大きい。このケースでは次のステップで、Ｅにより除算することによってＴ_Ｍが縮小され、このことは計算ユニット６３で行われる。Ｔ_Ｍ＜Ｔ_ＳのケースではＥ＜１であり、これに続く除算Ｔ_Ｍ／Ｅが、新たなモデル時間定数Ｔ_{Ｍ，ｋ＋１}を増加させる。反復規則は次のようになる：
Ｔ_Ｍ，１＝Ｔ_ｉｎｉｔ （７ａ）
Ｔ_{Ｍ，ｋ＋１}＝Ｔ_Ｍ，ｋ／Ｅ_ｋ （７ｂ）
ここでｋはｋ回目の反復ステップを表している。積分の過程でＥ_ｋは１に向かって収束し、Ｔ_Ｍ，ｋはＴ_Ｓに向かって収束する。このとき、Ｔ_Ｍ，ｋが厳密に単調にＴ_Ｓに向かおうとするか、それとも、Ｔ_Ｓを中心として振幅を減らしながら往復運動をするかは問題ではない。同様のことはＥ_ｋにも当てはまる。反復が終了するのは、
１−ε＜Ｅ_ｋ＜１＋ε ないし｜Ｅ_ｋ−１｜＜ε （８）
のときである。このチェックは照会６４によって行われる。上に挙げた条件が満たされているとき、反復の結果６６としてＴ_Ｓ＝Ｔ_{Ｍ，ｋ＋１}が出力される。条件がまだ満たされていないとき、ｋの分子６５が１だけ増やされる。

反復式の識別はオンラインで実行することができ、その場合、反復ステップごとに別の励起が行われる。同様に、反復をオフラインで実行することもでき、その場合、同一の測定が複数回評価される。このようにして本発明が識別に利用されるとき、センサ診断のためにＴ_Ｍ，ｋの最終値を限界値の時間定数と比較しなければならない。その場合にはＥと１の比較は自明であり、もはや有意義ではない。

Ｔ_{Ｍ，ｋ＋１}の計算についてＥ_ｋそのものでなく、これに依存する量を使用することによって、識別手順の収束を促進または遅延させることができる。反復式の識別手順は、式Ｅ（Ｔ_Ｍ）＝１の解Ｔ_Ｍ＝Ｔ_Ｓを探すものである。反復式の識別については、別案として、いわゆる不動点方程式を解くためのこれ以外の数値方法を援用することもできる。

別案として、センサ識別のための簡略な取り組みとして、見積もられた時間定数Ｔ_Ｓについて特性マップを作成することもできる。このような特性マップの入力としては、次のような量の組み合わせが考慮の対象となる：Ｔ_ＭとＥ、またはＥの分子と分母（（４）および（５）を参照）。特性マップには、Ｔ_Ｓまたは比率Ｔ_Ｓ／Ｔ_Ｍが記録されていてよい。

１０ 内燃機関
１１ 供給空気案内部
１５ 排ガスプローブ
１８ 排ガス通路
２３，３３ ハイパスフィルタ
３６．１ エネルギー比率
４０ モデル
４１ モデル
５５，５６ 時点

Claims (17)

1. 内燃機関（１０）のガスセンサをダイナミック監視する方法において、前記ガスセンサはジオメトリー、測定原理、経年劣化、または汚れに依存してローパス挙動を有しており、検出されるべきガス状態量が変化したときにモデル化された信号と測定された信号との比較に基づいてダイナミック診断が実行され、測定された信号は前記ガスセンサの出力信号の実際値であり、モデル化された信号はモデル値である、そのような方法において、前記ガスセンサの出力信号がハイパスフィルタ（２３，３３）によってフィルタリングされ、測定されるべきガス状態量が変化したときに高周波信号成分が評価されることを特徴とする方法。
2. 前記内燃機関（１０）に供給される空気・燃料混合気の空燃比が変化したときに前記ガスセンサのダイナミック診断が行われ、前記内燃機関（１０）の空燃比がそのように変化したときに高周波信号成分が評価されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスセンサの高周波信号成分が前記ガスセンサのモデル（４１）に由来する相応にハイパスフィルタリングされた出力信号と比較され、該比較を参照して前記ガスセンサのダイナミックが推定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. 前記ガスセンサの高周波信号成分だけでなく前記モデル（４０）の高周波信号成分も２乗ならびに積分され、それにより高周波エネルギー成分が算出され、次いでこれらのエネルギー成分が比率で表され、このようにして算出されたエネルギー比率（３６．１）を参照して前記ガスセンサのダイナミック挙動が推定されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. それぞれのエネルギー成分の正規化が行われることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 高周波信号成分の積分は前記両方の信号について個別的な積分時間Δｔについて行われ、前記両方の信号の積分の開始の時点（５５，５６）は出力信号の立上り信号エッジでも立下り信号エッジでもトリガされることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
7. 特定の定常点を起点として、信号エッジの開始時に適用可能な信号ストロークが待機されてから積分が開始されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. エネルギー比率（３６．１）は限界値のセンサダイナミックを表す適用可能な閾値と比較され、前記閾値と、前記センサのモデル（４１）で選択されるモデル時間定数（Ｔ_Ｍ）とは相互に依存していることを特徴とする、請求項３から７のいずれか１項に記載の方法。
9. フィルタ時間定数および／または閾値はガスの状態量に依存して追従制御されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 測定されるべきガス状態量が変化したときに十分な励起があるかどうかに関して検査が行われ、モデル信号においてエッジ急峻度が信号変化の正負記号に依存して適用可能な閾値と比較されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. センサ時間定数Ｔ_Ｓの反復式の識別が行われ、モデル時間定数Ｔ_Ｍが信号成分のエネルギー比率（３６．１）またはこれに依存する量に依存して複数のステップで順応化されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. センサ時間定数Ｔ_Ｓの識別は特性マップに記録されている時間定数Ｔ_Ｓの値または比率値Ｔ_Ｓ／Ｔ_Ｍによって行われ、入力量としてエネルギー比率（３６．１）とモデル時間定数Ｔ_Ｍの数値ペア、またはそのつど算出されるエネルギー比率（３６．１）の分子と分母の数値ペアが利用されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記ガスセンサとして、ガス圧力センサ、ガス温度センサ、ガス質量流量センサ、またはガス濃度センサが、排ガス監視・低減システムの一部としての、または内燃機関（１０）の供給空気案内部（１１）にある、内燃機関（１０）の排ガス通路（１８）の排ガスプローブ（１５）として利用されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記ガスセンサとして、ガス混合気中の酸素含有率を判定することができる広帯域ラムダプローブまたはＮＯ_Ｘセンサの形態の排ガスプローブ（１５）が用いられることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. ハイブリッド車両での請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法の利用。
16. セーリング動作を有する車両での請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法の利用。
17. 排ガス監視・低減システムの一部としての、または内燃機関（１０）の供給空気案内部にある、内燃機関（１０）の排ガス通路のガスセンサのダイナミック監視をする装置であって、前記ガスセンサはジオメトリー、測定原理、経年劣化、または汚れに依存してローパス挙動を有しており、検出されるべきガス状態量が変化したときにモデル化された信号と測定された信号との比較に基づいてダイナミック診断を診断ユニットで実行可能であり、測定された信号は前記ガスセンサの出力信号の実際値であり、モデル化された信号はモデル値である、そのような装置において、前記診断ユニットは、高周波信号成分の評価をするためのハイパスフィルタ（２３，３３）と、前記ガスセンサの少なくとも１つのモデル（４１）と、請求項１から１４のいずれか１項に記載のダイナミック診断を実施するための計算ユニットとを有していることを特徴とする装置。

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