JP5009595B2 - ラムダ測定信号の校正方法及び装置 - Google Patents

ラムダ測定信号の校正方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、ワイドバンド・ラムダセンサによって生成された信号を校正するための方法及びこの方法を実施するための装置に関する。
DE 198 10 483 A1には、HCセンサ及び/又はNOxセンサのセンサ信号オフセットを決定するための方法が記載されている。HC排出或いはNOx排出が起きていない内燃機関及び触媒の運転状態の下では、センサによって生成された信号はオフセット信号として評価され、センサ信号の校正のために援用される。HC排出或いはNOx排出が起きていない状態は、例えば内燃機関の惰走時の動力遮断の間に現れ、この状態は、予め与えられた運転条件が満たされている場合には、燃料節約のために利用することができる。
DE 38 27 978 A1には、常時ラムダ制御のための方法及び装置が記載されているが、この方法及び装置では、跳躍型ラムダセンサによって生成された信号が、ラムダ=1近辺の領域内で、常時ラムダ調整が可能となるように処理される。この方法は、センサ電圧制御偏差を伴って働くのではなく、ラムダ値制御偏差をセンサ電圧値とラムダ値との間のセンサ特性に基づく関係に基づいて決定するという手法に準拠している。跳躍型ラムダセンサによって生成される信号は、センサ温度に依存している。それ故、跳躍型ラムダセンサによって生成されたラムダ信号を、センサ信号の校正のためにセンサ温度に応じて補正するということが行われる。更に精確な校正のためのもう一つの補正の手法として、内燃機関の惰走時の動力遮断の間にセンサ信号オフセットの測定が行われる。
DE 100 36 129 A1には、センサ加熱装置を備えた跳躍型ラムダセンサによる排気ガス組成の測定のための方法が記載されている。この方法によれば、センサ温度に依存してセンサ信号の補正が行われ、その際には個々の信号跳躍にセンサ温度に依存して補正電圧が割り当てられる。
DE 199 19 427 A1には、ワイドバンド・ラムダセンサによって生成された信号の補正のための方法が記載されているが、この方法の場合にはセンサ信号特性曲線の勾配が、内燃機関の惰走時の動力遮断の間に現れるセンサ信号に依存して補正される。
専門書『火花点火機関マネージメント/ボッシュ』、フィーウェーク出版社(“Ottomotor−Management/Bosch”、VerlagVieweg)、初版、1998年、第22〜23頁に、拡散仕切りを介してガス室と結合されたセンサ室を備えたワイドバンド・ラムダセンサが記載されている。センサ室には内部ポンピング電極が配置されており、この電極は、外部ポンピング電極とポンプ電極相互間に置かれている酸素イオン透過電解質と共にポンピングセルを形成している。このポンピングセルを用いて、酸素を、電解質を通してセンサ室から或いはセンサ室の中へ汲み出すことができる。
このポンピングセルの近くに測定セルがあるが、この測定セルは内側のポンピング電極と基準電極との間に置かれており、その際内側のポンピング電極と基準電極との間にも酸素イオン透過電解質が配置されている。測定セルは、ネルンスト・セルに対応しており、このセルでは、内側のポンピング電極と基準電極との間の熱力学的平衡の中で形成される電位差がセンサ室内の検査対象ガスの分圧と参照空気中の検査対象ガスの分圧との比の対数に比例している。排気ガス・ラムダの測定の目的は、センサ室内の酸素分圧に対して、ネルンスト電位が、好ましくはラムダ=1に相当する予め与えられた値にコンスタントに留まっているように、影響を与えることである。この目的のために、回路装置が、外側のポンピング電極に加えられるポンピング電流を変化させる。ポンピング電流の極性と値は、予め定められたネルンスト電位を超え或いは下回るか否か又どれだけ超え或いは下回っているかに依存している。自己調節されるポンピング電流が排気ガス・ラムダの変数となる。
本発明は、ワイドバンド・ラムダセンサによって生成された信号を校正するための方法及びこの方法の実施のための装置を提供することを課題としている。
本発明によれば、内燃機関の排気ガス領域に配置されたワイドバンド・ラムダセンサによって準備されたラムダ測定信号の校正方法において、補正値がラムダ実際値を示す変数を求めるために援用され、補正値が、燃料配分が行われず且つ内燃機関の回転数が閾値よりも上にある、内燃機関の予め与えられた運転状態の間に求められる。補正値は、ワイドバンド・ラムダセンサのセンサ温度に依存して、前記の予め与えられた運転状態の間に求められる。
また、本発明によれば、内燃機関の排気ガス領域に配置されたワイドバンド・ラムダセンサによって準備されたラムダ測定信号の校正装置において、補正値がラムダ実際値を示す変数を求めるために援用され、補正値が、燃料配分が行われず且つ内燃機関の回転数が閾値よりも上にある、内燃機関の予め与えられた運転状態の間に求められる。校正装置は、上記の本発明の校正方法の実施するための少なくとも一つの制御装置を備えている。
内燃機関の排気ガス領域内に配置されたワイドバンド・ラムダセンサによって生成された信号の校正のための本発明の方法は、ラムダ実際値のための少なくとも一つの変数を準備するために補正値を求めるものである。補正値は、燃料配分が行われず且つ内燃機関の回転数が閾値よりも上にある、内燃機関の予め与えられた運転状態の間に求められる。本発明によれば、補正値は内燃機関の予め与えられた運転状態の間にワイドバンド・ラムダセンサの温度に依存して求められる。
テストに基づいて、単に一般に加熱されていない跳躍型ラムダセンサによって生成されるラムダ信号だけでなく、ワイドバンド・ラムダセンサによって生成される信号も又、例えそのワイドバンド・ラムダセンサの作動温度をセンサ加熱装置によって予め定められた定格温度に保持しておいたとしても、センサ温度に依存していることがあるということが確認されている。
本発明に基づく手法は、ワイドバンド・ラムダセンサが組み込まれた状態の下でワイドバンド・ラムダセンサによって生成された信号を、その作動の間に校正することによって、場合によっては存在し得る、ワイドバンド・ラムダセンサの温度に依存した製造上の製品ばらつきを考慮する。更に特に、使用期間中に場合によっては発生し得る温度依存の経年ドリフトを考慮することができる。
ワイドバンド・ラムダセンサによって生成された信号の校正は、好ましくは単に具体的なセンサ温度の下でのみ行われるのではなく、好ましくは温度領域について行われる。
本発明の有利な実施態様と拡張例は付属の諸請求項から明らかとなる。
一実施態様によれば、センサ温度として、測定された実際温度を示す少なくとも一つの変数が援用される。この実際温度は、温度制御装置が存在しているときに得られる。代わりの手法として、センサ温度として予め与えられた目標温度或いは温度評価値を示す少なくとも一つの変数を援用することができる。この目標温度は、制御された或いは調節されたセンサ加熱装置が存在しているか否かに係わらず、常に制御装置に用意されている。
一実施態様によれば、目標温度として意図的に幾つかの異なる校正温度が設定される。特に、これまで補正値が求められていなかった目標温度を意図的に設定することが好ましい。
一実施態様によれば、内燃機関の予め定められた運転状態、即ち燃料配分が行われず且つ内燃機関の回転数が予め定められている閾値よりも上にある運転状態の開始及び/又は終了が、内燃機関の負荷信号に依存して決定される。更に少なくともギヤのシフトレンジ及び/又は内燃機関が駆動機関として用いられている車両の走行速度が考慮されることが好ましい。
ワイドバンド・ラムダセンサによって生成された信号の校正のための本発明の装置は、先ず、前記の方法を実施するために特別に構成された制御装置に関している。
制御装置は特に、燃料配分が行われず且つ内燃機関の回転数が閾値よりも上にある、予め定められた運転状態のための運転状態決定装置、並びに補正値決定装置を含んでいる。更に制御装置には、ワイドバンド・ラムダセンサの目標温度のための目標温度決定装置が備えられていることが好ましい。
制御装置は、プロセスステップがコンピュータプログラムとして格納されている少なくとも一つの電気的記憶装置を含んでいることが好ましい。
本発明のその他の有利な拡張例と実施態様は付属のその他の請求項から又以下の説明から知られる。
図1は内燃機関10を示しており、この内燃機関の吸気領域11にはエアセンサ12が配置され、その排気ガス領域13にはワイドバンド・ラムダセンサ14及び排気ガス処理装置15が配置されている。
エアセンサ12はエア信号ms_Lを、内燃機関10は回転数nを、ワイドバンド・ラムダセンサ14に割り当てられているセンサ加熱器16はワイドバンド・ラムダセンサ14の実際温度te_Istを、ワイドバンド・ラムダセンサ14はラムダ測定信号lam_messを、制御装置20に対して送り込む。
制御装置20は、燃料信号m_Kを又センサ加熱器16は目標温度te_Sollを(それぞれ)内燃機関10に割り当てられている燃料配分装置21に対して送り込む。
制御装置20は運転状態決定装置25を含んでおり、この運転状態決定装置25にはエア信号ms_L、回転数n、負荷信号Md_Soll、走行速度v、ラムダ実際値lam_Ist、シフトギヤ情報g、並びに詳しくは説明されないその他の諸信号が送り込まれる。
運転状態決定装置25は、内燃機関10の予め定められている運転状態を特徴付ける信号Calを送り出す。運転状態決定装置25は更に燃料信号m_Kを準備する。
内燃機関10の予め定められている運転状態を特徴付ける信号Calは、目標温度決定装置26へ送り込まれ、この目標温度決定装置26は、ワイドバンド・ラムダセンサ14の加熱のための目標温度te_Sollを準備する。目標温度決定装置26には更に、実際温度te_Ist並びにワイドバンド・ラムダセンサ14の予め定められている定格温度te_Nennが送り込まれる。目標温度決定装置26は更に、補正値決定装置27によって準備された校正温度te_Calを受け取る。
ラムダ測定信号lam_messは、比較器28でラムダ校正信号lam_Calと比較される。この比較器28によって求められた差dが補正値決定装置27で用いられるが、この補正値決定装置27には更に、内燃機関10の予め定められた運転状態を特徴付ける信号Cal並びにセンサ温度te_lamが送り込まれる。補正値決定装置27は校正温度te_Calの他に補正値Korrを準備し、この補正値Korrを用いてラムダ実際値決定装置29でラムダ測定信号lam_messがラムダ実際値lam_Istに対して補正される。
図2はラムダ測定信号lam_messとポンピング電流Ipとの関係を示す、ワイドバンド・ラムダセンサ14の特性曲線30を示している。図2に示されている特性曲線30は原理的に、冒頭で述べられた背景技術で述べられているワイドバンド・ラムダセンサ14の特性曲線30に対応している。
ポンピング電流Ip=0は、ラムダ測定値lam_mess=1に対応している。ラムダ=1の所には、特性曲線30の旋回点31がある。酸素欠乏の際には負のポンピング電流Ipが現れ、又酸素過剰の際には正のポンピング電流Ipが現れる。
図2には、ラムダ測定値lam_messの他に、0.8と4のラムダ測定値lam_messが記入されているが、ここで0.8のラムダ測定値lam_messは、例えばマイナス20マイクロアンペア(μA)のポンピング電流に、4のラムダ測定値lam_messは、例えばプラス20マイクロアンペアのポンピング電流に対応している。特性曲線30は、理論的にはラムダ=無限(∞)まで伸びて行くが、ポンピング電流Ipは、例えばラムダ=4の時の電流から最早ほとんど増加しない。ラムダ=無限の時には測定ポイント変位32が記入されている。
本発明に基づく方法は次のように作用する。
運転状態決定装置25が燃料信号m_Kを測定し、この燃料信号が燃料分配装置21で、例えば回転数n及び/又は負荷信号Md_Soll及び/又はエア信号ms_L及び/又はラムダ実際値lam_Istに応じて、利用される。
エア信号ms_Lは、内燃機関10の中を流れる気流のための変数となる。負荷信号Md_Sollは、例えば内燃機関10が駆動機関として搭載されている、詳しくは説明されない自動車に備えられている同じく詳しくは説明されないアクセルペダルの位置から導出される、例えばトルク目標値に対応している。
運転状態決定装置25は特に、予め定められている運転状態を特徴付ける信号Calを求めるが、その際、予め定められている運転状態は少なくとも回転数n及び例えば負荷信号Md_Sollから測定される。予め定められている運転状態は燃料信号m_Kがゼロに等しく、従って内燃機関10に燃料が全く供給されないということを特徴としている。同時に、内燃機関10の回転数nが閾値よりも上にあるということが仮定されている。この予め定められている運転状態は、内燃機関10の中では燃料燃焼が全く行われていないために、吸気領域11内と排気ガス領域13内に外気の組成と大体において等しく、少なくともわずかな気流が生じている内燃機関10の惰走運転状態に対応している。
信号Calは、ワイドバンド・ラムダセンサ14のラムダ測定値lam_messが理論的に無限のラムダに、即ち、排気ガス領域13内の酸素濃度が近似的に21%、従って外気の酸素濃度に等しいラムダに等しくなるべきであるということを示している。従って信号Calがあれば、排気ガス領域13内の酸素濃度が分かっているから、ワイドバンド・ラムダセンサ14によって準備されたラムダ測定信号lam_messの校正を行うことができる。
ここで、実施例の中に記載され且つ請求項の中で特許を請求されている、ラムダ値に基づく補正は、同様の手法で酸素濃度に基づいて或いは導き出されたその他の値に基づいて行うことができることを指摘しておく。
ワイドバンド・ラムダセンサ14によって準備されたラムダ測定信号lam_messの校正は、単にワイドバンド・ラムダセンサ14の製造ばらつきの補正を可能にするだけでなく、例えば組み込まれた状態の下でのワイドバンド・ラムダセンサ14の使用の間の経年ドリフトなどの、経年作用の補正をも可能にする。その上更に、未処理排出許容差を狭めるために、ラムダ許容差も狭められる。このためには同時に排気ガス再循環装置を援用することができる。更に排気ガス処理装置15の最適な作動が装置の全耐用期間にわたって保証される。
排気ガス処理装置15は、例えば少なくとも一つの触媒装置及び/又は粒子フィルタを含んでいる。排気ガス組成は、触媒装置による排気ガス浄化及び/又は排気ガス・コンディショニングに対して大きな影響を与える。排気ガス処理装置15が、堆積した粒子を、時々粒子を焼却することによって再生される粒子フィルタを含んでいる限り、排気ガス領域内の酸素濃度は、粒子焼却速度に関して重要な役割を果たし、この粒子焼却速度が更に粒子フィルタ内の温度に影響を与える。更に排気ガス中の酸素濃度は、場合によっては行われる粒子フィルタ目詰まり状態のシミュレーションの際に、重要な役割を果たす。
比較器28は、ラムダ測定信号lam_messをラムダ校正信号lam_Calと比較し、その結果に応じて差dを生成する。ラムダ校正信号lam_Calは、理論的に無限の値を目標として定められなければならないであろう。補正はラムダの逆数に基づいて、或いは例えば酸素濃度に基づいて行われると有利である。従って、差dの代わりに、ラムダ測定信号lam_messとラムダ校正信号lam_Calとの間の商を求めることもできる。この場合には、無限による割り算或いはゼロによる割り算を避けるために、酸素濃度に基づく評価を選ぶことが有利である。
差dは、補正値決定装置27で補正値Korrを生成し又保存するために援用される。補正値Korrは、ラムダ実際値決定装置29で、ラムダ測定信号lam_messをラムダ実際値lam_Istに対して補正する。補正は、例えば図2に示されている特性曲線30の中に介入することによって行われる。補正は、特性曲線30の勾配の変化を想定しており、その際には先ず特性曲線30が旋回点31の周りで回転される。勾配の補正は、例えばラムダ測定信号lam_messにラムダ無限の際の補正値Korrを掛けることによって行われる。ラムダ測定信号lam_messに補正値を掛けるということは、測定ポイント変位32と同じである。差dの代わりに商が求められる限り、補正値Korrは、商の逆数のための変数となる。
試験に基づいて、ワイドバンド・ラムダセンサ14のセンサ温度te_lamがラムダ測定信号lam_messに対して影響を与えるということが確認されていた。それ故、本発明によれば、ワイドバンド・ラムダセンサ14によって準備されたラムダ測定信号lam_messの更なる補正が、内燃機関10の予め定められた運転状態、即ち燃料配分が行われず且つ(内燃機関の)回転数が閾値よりも上にある運転状態の間に、センサ温度te_lamに応じて行われる。
それ故、補正値決定装置27は補正値Korrの測定と保存の際に更にセンサ温度te_lamを考慮する。センサ温度te_lamは、好ましくはワイドバンド・ラムダセンサ14の実際温度te_Istとし、この実際温度te_Istは、センサ加熱器16が温度調節器の設計に組み込まれていれば、利用可能である。実際温度te_Istが利用できない場合には、例えば、温度評価値、或いは温度制御設計の枠組みの中で与えられている温度目標値te_Sollを、センサ温度te_lamとして援用することができる。
ここで、校正は単に予め定められている具体的な温度目標値te_Sollの下でだけでなく、とりわけ、予め定められている目標温度領域について実施されるということを指摘しておく。
校正は、単にワイドバンド・ラムダセンサ14の製造者によって予め設定されている定格温度te_Nenn或いは予め設定されている定格温度領域の下でのみ行われるのではなく、既にワイドバンド・ラムダセンサ14の加熱段階及び/又は冷却段階の間にできる限り精確なラムダ実際値lam_Istを得ることができる様にするために、特に、定格温度領域の下にある温度領域にも及ぶようにすることが有利である。
目標温度te_Sollを予め適切に設定するための第一の可能性は、補正値決定装置27がセンサ温度te_lamに応じてどの補正値Korrがなお欠けているかに応じて準備する校正温度te_Calを用いて可能となる。目標温度決定装置26は、目標温度te_Sollを、要求された校正温度te_Cal(センサ加熱器16がワイドバンド・ラムダセンサ14をそこまで加熱すべき校正温度te_Cal)に応じて決定する。
幾つかの異なる目標温度te_Sollを予め適切に設定するためのもう一つの可能性は、目標温度決定装置26が、信号Calが現れた時に、校正が行われているべき、例えば表の形で記憶されている目標温度te_Sollを、時系列で調整するということにある。場合によっては、目標温度決定装置26の利用に供された実際温度te_Istは、目標温度te_Sollの適切な選択のために援用されることができ、その際、新たに設定されるべき目標温度te_Sollは、予め発見されている実際温度te_Istからのずれができるだけ小さくなるようにすべきである。信号Calが存在しているときに常時行われる校正は、そこでも経年ドリフトを補正することができるようにするために、特に、ワイドバンド・ラムダセンサ14の定格温度te_Nennnの下でも、或いは定格温度領域内でも行われる。
本発明に基づく方法の適用される技術的環境を示す。 ラムダ測定信号lam_messとポンピング電流Ipとの関係を示す、ワイドバンド・ラムダセンサの特性曲線を示している。
符号の説明
10…内燃機関
11…吸気領域
12…エアセンサ
13…排気ガス領域
14…ワイドバンド・ラムダセンサ
15…排気ガス処理装置
16…センサ加熱器
20…制御装置
21…燃料分配装置
25…運転状態決定装置
26…目標温度決定装置
27…補正値決定装置
28…比較器
29…ラムダ実際値決定装置
30…特性曲線
31…旋回点
32…測定ポイント変位
Cal…特徴化信号
d…比較器によって求められた差
g…シフトギヤ情報
Ip…ポンピング電流
Korr…補正値
lam_Cal…ラムダ校正信号
lam_Ist…ラムダ実際値
lam_mess…ラムダ測定信号
Md_Soll…負荷信号
m_K…燃料信号
ms_L…エア信号
n…回転数
te_Cal…校正温度
te_Ist…ワイドバンド・ラムダセンサの実際温度
te_Nenn…ワイドバンド・ラムダセンサの定格温度
te_Soll…目標温度
v…走行速度

Claims (10)

  1. 燃機関(10)の排気ガス領域(13)に配置されたワイドバンド・ラムダセンサ(14)に流れるポンピング電流(Ip)からラムダ測定値(lam_mess)が求められ、前記ワイドバンド・ラムダセンサ(14)によって準備され且つ前記ラムダ測定値を示すラムダ測定信号(lam_mess)校正する方法において
    補正値(Korr)が、ラムダ実際値(lam_Ist)を示す変数を求めるために援用されること、
    補正値(Korr)が、燃料配分が行われず且つ内燃機関(10)の回転数(n)が閾値よりも上にある内燃機関(10)の予め与えられた運転状態の間に求められること、及び
    補正値(Korr)が、ワイドバンド・ラムダセンサ(14)のセンサ温度(te_lam)の関数として、前記予め与えられた運転状態の間に求められること、
    を特徴とするラムダ測定信号の校正方法。
  2. センサ温度(te_lam)として、測定された実際温度(te_Ist)が援用されることを特徴とする請求項1に記載の校正方法。
  3. センサ温度(te_lam)として、予め定められた目標温度(te_Soll)が援用されることを特徴とする請求項1に記載の校正方法。
  4. 目標温度(te_Soll)として、ワイドバンド・ラムダセンサ(14)の定格温度(te_Nenn)が援用されることを特徴とする請求項に記載の校正方法。
  5. 燃料配分が行われず且つ内燃機関(10)の回転数(n)が閾値よりも上にある運転状態である、内燃機関(10)の予め定められた運転状態の開始及び終了の少なくともいずれかが、内燃機関(10)の負荷信号(Md_Soll)、及びギヤのシフトレンジ(g)、及び内燃機関(10)が駆動機関として用いられている車両の走行速度(v)の少なくともいずれかに依存して決定されることを特徴とする請求項1に記載の校正方法。
  6. ポンピング電流(Ip)とラムダ測定値(lam_mess)との関係を表す特性曲線(30)が、ポンピング電流(Ip)の縦軸とラムダ測定値(lam_mess)の横軸からなる座標系の中に示される場合、ラムダ=1である旋回点(31)を中心とした特性曲線(30)の回転によって特性曲線(30)の勾配の補正が行われることを特徴とする請求項1に記載の校正方法。
  7. センサ温度(te_lam)が、予め定められている目標温度(te_Soll)に調節されることを特徴とする請求項1に記載の校正方法。
  8. 補正値(Korr)がラムダ実際値(lam_Ist)を示す変数を求めるために援用され、補正値(Korr)が、燃料配分が行われず且つ内燃機関(10)の回転数(n)が閾値よりも上にある、内燃機関(10)の予め与えられた運転状態の間に求められる、内燃機関(10)の排気ガス領域(13)に配置されたワイドバンド・ラムダセンサ(14)によって準備されたラムダ測定信号(lam_mess)の校正装置において、
    請求項1ないし7のいずれかに記載の校正方法の実施するための少なくとも一つの制御装置(20)を備えたこと、
    を特徴とするラムダ測定信号の校正装置。
  9. 制御装置(20)が、予め定められた運転状態のための運転状態決定装置(25)、及び補正値決定装置(27)を含んでいることを特徴とする請求項8に記載の校正装置。
  10. 制御装置(20)が、ワイドバンド・ラムダセンサ(14)の目標温度(te_Soll)のための目標温度決定装置(26)を含んでいることを特徴とする請求項8に記載の校正装置。
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