JP4084447B2 - 内燃機関用炭化水素センサの機能のモニタ方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関用炭化水素センサの機能のモニタ方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高い過剰空気を用いて運転される内燃機関の場合、排気ガス内に高いＮＯｘエミッションが発生する。これはとくに燃焼室内に燃料が直接噴射される内燃機関の場合にみられるものである。このエミッションを低下するために、たとえば還元触媒を使用してもよい。ＮＯｘを低減するために、触媒の前に追加の燃料が注入され、この追加の燃料が触媒内で転換される。
【０００３】
さらに、このような内燃機関の排気ガスが酸化触媒により後処理される。これにより、炭化水素（ＨＣ）エミッションを明らかに低減させることができる。
【０００４】
米国においては、少し前から、搭載手段を用いて車両構成要素のモニタリングおよび発生したエラーの表示（オンボード診断、ＯＢＤ）が要求されてきた。
【０００５】
このオンボード診断の範囲内で、内燃機関の触媒もまたモニタリングされなければならない。
【０００６】
たとえば、炭化水素センサ（ＨＣセンサ）がこの対象となる。
【０００７】
このようなＨＣセンサは実質的に加熱抵抗および本来のセンサ素子を含んでいる。加熱抵抗により測定手段に適した温度が調節される。温度は制御により調節されるので、温度の測定が必要となる。これはたとえばセンサの内部抵抗の測定を介して行われる。この測定は交流電流を用いて行われる。その理由は、交流電流によりセンサの直流電圧信号が実質的に影響を受けないからである。
【０００８】
このような温度測定がたとえばドイツ特許第３１１７７９０号に記載されている。
【０００９】
このようなＨＣセンサは、たとえば触媒および／または注入ポンプのような排気ガス関連の構成要素のモニタリングおよび制御に使用されるので、その機能もまた同様にモニタリングされなければならない。もしセンサが故障した場合、たとえばＮＯｘ触媒の場合、炭化水素エミッションの関数である燃料の追加注入が遮断されなければならない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
技術的に簡単な方法でかつできるだけ既存の車両構成要素を利用して、前述の如き種類の炭化水素センサのモニタリングを可能にする炭化水素センサの機能のモニタ方法および装置を提供することが本発明の課題である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、前述の如き種類の炭化水素センサの機能のモニタ方法において、センサ素子の加熱のために供給すべき加熱電力が所定の値と連続的に比較され、適合しなかった場合にセンサのエラー信号が出力されかつヒータが遮断されること、および測定されたセンサ値が所定の運転条件において予想されるエミッション値と比較され、適合しなかった場合にセンサのエラー信号が出力されることとにより解決される。
【００１２】
センサの加熱電力の連続モニタリングによって、センサ接続の故障または断線が検出可能である。もしセンサ接続またはセンサラインが遮断された場合、一般に無限大の内部抵抗が室内温度に割り当てられているので、温度はもはや正しく測定されず、常に低すぎる値が測定されることになる。この結果、加熱電力はきわめて高くなり、センサが損傷されることになる。これは、加熱電力の連続モニタリングおよび所定の妥当な値との比較により回避される。
【００１３】
さらに、正常な加熱を行っているときに測定されたセンサ値を所定の運転条件において予想される内燃機関のエミッション値と比較することにより、簡単にセンサの欠陥を検出しかつセンサのエラー信号を出力することができる。これはたとえば、内燃機関を含む車両が惰行運転で運転されているとき、および追加燃料が注入されていないとき、センサ値が所定のセンサ基本値と比較され、この基本値を超えた場合にエラーが表示されることにより行うことができる。これに対しては、車両の惰行運転において、場合により同様にアイドリング運転において、かつ追加燃料の注入がない場合、内燃機関の未燃エミッションは少なくなり、したがってＨＣ値もまたきわめて小さくすることができることが基礎になっている。
【００１４】
センサ値が基本値を超えた場合、これによりたとえばセンサの故障またはセンサの「すすによる汚れ」を特定することができる。この理由から、本発明による有利な実施態様においては、所定の基本値を超えたとき、エラーメッセージが出力される前にセンサの加熱電力が短時間上昇され、これによりセンサをある程度まず「自由燃焼」させることができる。
【００１５】
センサの感度低下を検出するために、きわめて有利な実施態様においては、内燃機関が暖気されていないとき、所定の時間ＨＣ値が所定のしきい値を下回っているとき、同時に噴射量が所定の他のしきい値を超えているとき、および同時にモニタリングすべき排気ガス酸化触媒の温度が所定のしきい値を下回っているとき、必ずセンサのエラー信号が出力されるように設計されている。
【００１６】
しきい値が用途に従って決定されることは好ましい。
【００１７】
加熱電力をモニタリングするために、有利な実施態様は、加熱電力が特性曲線群から求められた値と連続的に比較され、所定の時間後にこの値を超えた場合にセンサのエラー信号が出力されかつ加熱が遮断されるように設計されている。
【００１８】
さらに、本発明による課題は、測定されたセンサの温度の関数として加熱電力を制御し、加熱電力を特性曲線群から求められた所定のしきい値と比較し、適合しなかった場合に時間的に遅れてヒータを遮断するための第１の回路部分と、測定された炭化水素値を所定の運転条件において予想されるエミッション値と比較し、適合しなかった場合にエラー信号を出力するための第２の回路部分と、を含む内燃機関用炭化水素センサの機能のモニタ装置によってもまた解決される。
【００１９】
内燃機関の前記所定の運転条件として、噴射量、追加燃料の注入量および触媒の温度が使用され、これらが比較器においてしきい値と比較される。
【００２０】
エラー信号の出力は時間遅延素子により時間的に遅れて行われることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１から明らかなように、炭化水素センサ１０はセンサ素子１１ならびにヒータ１２を含む。ＨＣセンサのための評価回路は制御装置３０であり、たとえば機関制御装置のマイクロコントローラである。温度の関数であるセンサ内部抵抗を測定するために、交流電源２２ならびに交流電圧用の整流器２３が使用され、交流電圧は交流電流に基づいてセンサセルに供給される。センサ内部抵抗を決定するために交流電流を使用することにより、ＨＣ値を示すセンサの整流信号は影響を受けることはない。本来の測定電圧は温度を決定するために設けられた測定交流電圧を遮断する低域フィルタ（ＰＴＩ素子）２１により、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）を介して制御装置３０に供給される。
【００２２】
炭化水素センサ１０を加熱するために温度制御アルゴリズムが設けられ、温度制御アルゴリズムはパルス幅変調信号（ＰＷＭ）を発生し、パルス幅変調信号は制御装置３０により駆動器２４に供給され、一方、駆動器２４はヒータ１２を操作する。
【００２３】
自己点火内燃機関用の炭化水素センサ１０の機能のモニタ方法を、炭化水素の機能のモニタ装置を略図で示している図２により説明するとわかりやすい。
【００２４】
図２からわかるように、炭化水素センサ１０の機能のモニタ装置は、第１の回路部分Ａ内に、測定されたセンサの温度の関数としてパルス幅変調器（ＰＷＭ）１０３を介して加熱電力を制御するための制御器１００、たとえばＰＩＤ制御器を含む。
【００２５】
このために、減算器９９において、測定されたセンサ内部抵抗から所定の値Ｉが減算され、その結果が制御器１００に供給される。この場合、値Ｉは正常運転温度における所定のセンサ内部抵抗に対応している。制御器１００により出力された信号は比較器１０１において所定のしきい値Ｓ１と比較され、しきい値Ｓ１は特性曲線群１１３から求められる。特性曲線群１１３の入力変数は実質的にオンボード電圧ＵＢならびに内燃機関のスタートからの経過時間ｔｓｔａｒｔである。制御器１００により出力された値がしきい値Ｓ１より大きいかぎりセンサエラーが出力され、同時に炭化水素センサ１０がさらに加熱される。しかしながら、加熱電力が遅延素子１０２により形成される所定の時間より長い間しきい値Ｓ１を超えている場合、たとえば、センサ接続端が遮断されているかまたはセンサ１０が損傷されている、というケースが存在する。この場合、センサのエラー信号が出力され、スイッチ１１２により加熱が遮断される。
【００２６】
第２の回路部分Ｂにおいて、測定されたセンサ値が所定の運転条件において予想されるエミッション値と比較され、適合しなかった場合にセンサ１０のエラー信号が出力される。
【００２７】
このために、たとえば、車両の惰行運転において、すなわち燃料が噴射されずかつ排気ガス内への追加燃料の注入が行われることなくセンサ１０が所定の炭化水素値（ＨＣ値）を超えているか否かが検査される。これは、測定されたＨＣ値を比較器１０７においてしきい値Ｓ２と比較することにより行われる。これが肯定の場合、ＡＮＤ素子１０９においてエラー信号が出力され、エラー信号は遅延素子１１０を通過したのちセンサエラーたとえばメッセージ「基本値が高すぎる」を出力する。
【００２８】
このために、同時に、信号ラインを介してスイッチ１１１において入力値Ｉが入力値IIに切り換えられ、入力値IIは回路部分Ａに関連して上で説明した温度制御により加熱電力を上昇させかつこれによりセンサを「自由燃焼」させる。
【００２９】
この自由燃焼は短時間の間のみ行われる。この時間はとくに遅延素子１１０により与えられる時間より短いので、すすだけで汚れたセンサにおいては、さらに他のセンサ欠陥が存在しないときは、自由燃焼ののちセンサエラー「基本値が高すぎる」の信号はもはや現れない。
【００３０】
回路部分Ｂの他方の分岐路においては、比較器１０４において、測定されたＨＣ値が所定のしきい値Ｓ３を下回っているか否か、この場合同時に比較器１０６内で決定されるように噴射量が所定のしきい値Ｓ４を超えているか否か、および比較器１０５において決定されるように触媒温度が他の所定のしきい値Ｓ５を下回っているか否かが決定される。上記のすべての条件が満たされている場合、ＡＮＤ素子１０８においてエラー信号が出力され、このエラー信号は、時間遅延素子１１２を通過したのちにセンサエラー、たとえば、メッセージ「感度なし」を出力する。
【００３１】
最後に記載のエラーモニタリングは、低温スタートののち、すなわち触媒がしばらくの間、機関の未燃エミッションがまだ転換されないほど低い温度を有しているときには必ず行われる。このとき、触媒の下流側に設けられているＨＣセンサは高い値を示すはずである。この場合、触媒の後方の温度は測定するかまたはモデルにより計算してもよい。この場合、比較器１０５において触媒温度が比較されるしきい値Ｓ５はほぼ触媒の始動時の温度に対応している。
【００３２】
回路装置のすべての部分がそれ自身既知の機関制御に付属するものでよく、したがってこのようにハードウェアの追加なしにセンサエラーしたがって触媒エラーもまたオンボードで、すなわち搭載手段を用いて検出可能であることはとくに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定された値を評価しかつ出力するために制御装置（マイクロコントローラ）と結合されている炭化水素センサの略ブロック回路図である。
【図２】本発明による自己点火内燃機関用炭化水素センサの機能のモニタ装置のブロック回路図である。
【符号の説明】
１０ 炭化水素センサ
１１ センサ素子
１２ ヒータ
２１ 低域フィルタ（ＰＴＩ素子）
２２ 交流電源
２３ 整流器
２４ 駆動器
３０ 制御装置（マイクロコントローラ）
９９ 減算器
１００ 制御器（ＰＩＤ）
１０１，１０４，１０５，１０６，１０７ 比較器
１０２，１１０，１１２ 時間遅延素子
１０３ パルス幅変調器（ＰＷＭ）
１０８，１０９ ＡＮＤ素子
１１１，１１２ スイッチ
１１３ 特性曲線群
Ａ 第１の回路部分
Ｂ 第２の回路部分
Ｉ 所定の値（正常運転温度における所定のセンサ内部抵抗）
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５ しきい値
ｔｓｔａｒｔ 内燃機関のスタートからの経過時間
ＵＢ オンボード電圧

Claims (9)

1. センサ（１０）のセンサ素子（１１）の加熱のために供給すべき加熱電力が所定の値と連続的に比較され、適合しなかった場合にセンサ（１０）のエラー信号が出力されかつヒータ（１２）が遮断されること、および
   測定されたセンサ値が所定の運転条件において予想されるエミッション値と比較され、適合しなかった場合にセンサ（１０）のエラー信号が出力されること、および
   内燃機関が暖気されていないときに所定の時間測定されたＨＣ値が所定のしきい値（Ｓ３）を下回っているときに、同時に噴射量が所定の他のしきい値（Ｓ４）を超えているときに、および同時にモニタリングすべき触媒の温度が所定の他のしきい値（Ｓ５）を下回っているときに、センサ（１０）のエラー信号が出力されること
   を特徴とする内燃機関用炭化水素センサの機能のモニタ方法。
2. 内燃機関を含む車両が惰行運転で運転されているとき、および追加燃料が注入されていないとき、前記センサ値が所定のＨＣ値を超えた場合に前記エラー信号が出力されることを特徴とする請求項１のモニタ方法。
3. 前記所定のＨＣ値を超えたとき、前記加熱電力が短時間上昇されることを特徴とする請求項２のモニタ方法。
4. しきい値（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）が用途に従って決定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの方法。
5. 前記エラー信号が時間的に遅れて出力されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの方法。
6. 前記加熱電力が特性曲線群から求められた値と比較され、所定の時間内にこの値を超えた場合にセンサ（１０）のエラー信号が出力されかつヒータ（１２）が遮断されることを特徴とする請求項１のモニタ方法。
7. 測定されたセンサ（１０）の温度の関数として加熱電力を制御し、該加熱電力を特性曲線群（１０４）から求められた所定のしきい値（Ｓ１）と比較し、適合しなかった場合に時間的に遅れてヒータ（１２）を遮断するための第１の回路部分（Ａ）と、
   測定された炭化水素値を所定の運転条件において予想されるエミッション値と比較し、適合しなかった場合にエラー信号を出力するための第２の回路部分（Ｂ）と、
   を含み、
   内燃機関が暖気されていないときに所定の時間測定されたＨＣ値が所定のしきい値（Ｓ３）を下回っているときに、同時に噴射量が所定の他のしきい値（Ｓ４）を超えているときに、および同時にモニタリングすべき触媒の温度が所定の他のしきい値（Ｓ５）を下回っているときに、センサ（１０）のエラー信号が出力されること
   を特徴とする内燃機関用炭化水素センサの機能のモニタ装置。
8. 前記所定の運転条件が、噴射量、追加燃料の注入量および触媒の温度であり、これらが比較器（１０４、１０５、１０６、１０７）においてしきい値（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）と比較されることを特徴とする請求項７のモニタ装置。
9. 時間的に遅れてエラー信号を出力するために時間遅延素子が設けられていることを特徴とする請求項７または８のモニタ装置。

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