JP5432422B2 - 排気センサの機能を監視する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気管路内の排気センサの機能を監視する方法に関する。

本発明はさらに、内燃機関の制御および排気センサの出力信号の評価のために内燃機関および排気センサに割り当てられた制御ユニットを備える、内燃機関の排気管路内の排気センサを監視するための適切な装置に関する。

今日では、排気センサは、内燃機関の排気量を監視するための様々な実現において使用されている。この監視機能を保障するために、排気センサは、定期的な間隔で、例えば、オンボード診断（ＯＢＤ：Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ−Ｄｉａｇｎｏｓｅ）の枠組みにおいて、その性能を検査する必要がある。そのために必要ないくつかの診断機能を実行するために、内燃機関の特定の運転状態が存在する必要がある。したがって、例えば、広帯域ラムダセンサによる測定された酸素濃度の信頼性チェック（Ｐｌａｕｓｉｂｉｌｉｓｉｅｒｕｎｇ）が、好適に、内燃機関に燃料が供給されない内燃機関の惰行運転（Ｓｃｈｕｂｂｅｔｒｉｅｂ）において行われる。なぜならば、この惰行運転では、故障の場合に、センサ信号と予期される値とのずれ量が最も大きいからである。

内燃機関のための新しい運転ストラテジおよび新技術の枠組みにおいては、排気センサの機能の監視のために必要な内燃機関の動作点がもはや十分な頻度で達せられない。したがって、スタートストップ方式（Ｓｔａｒｔ−Ｓｔｏｐｐ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）で駆動される車両の場合、内燃機関は停車時に停止され、アイドル運転という運転状態がもはや存在せず、または、非常にまれにしか存在しない。ハイブリッド駆動系のような新技術では、惰行運転が大幅に抑制される。

排気センサの監視の他に、所定の間隔で、様々な排気センサのための学習機能が設けられ、例えば、広帯域ラムダセンサの場合には推力適合（Ｓｃｈｕｂａｄａｐｔｉｏｎ）が設けられる。そのために、必要な運転状態、すなわち、上記の例では惰行運転が、ハイブリッド車両の場合またはスタートストップシステムの場合にも、さらに別に要求される。この学習機能と同時に、排気センサのための必要な診断機能も実行することが可能である。しかしながら、診断機能の実行は、学習機能の時間と、当該学習機能が実行される頻度と、が制限されている。

本発明の課題は、排気センサの機能の監視のために必要な内燃機関の動作点にほとんど達しない場合にも排気センサの機能を監視することが可能な方法を提供することである。

さらに、本発明の課題は、本方法を実行するための適切な装置を提供することである。

方法に関する本発明の課題は、内燃機関の第１の動作点で、排気センサの第１の機能制御が行われ、排気センサに問題が無い場合には、内燃機関の少なくとも第２の動作点で、排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量（Ｋｅｎｎｇｒｏｅｓｓｅ）が定められて学習値として格納され、排気センサの機能の監視は、より後の内燃機関の運転の間に、第２の動作点において、排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量と、学習値との比較によって行われることにより解決される。
その際に、第１の機能制御は、排気センサの機能の監視のために適切な内燃機関の動作点であって、ほとんど達せられない上記動作点において行われる。上記動作点では、排気センサが正常であるかを確実に検出することが可能である。続いて、検査済みの良好な状態の排気センサの場合は、頻繁に達せられる内燃機関の第２の動作点が目標とされ、または、内燃機関の通常運転において達せられ、この第２の動作点において学習値が収集される。その際に、学習値は、第２の動作点における排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量である。より後の内燃機関の運転において、排気センサの機能の監視が、ここで、頻繁に存在する運転段階の間に、第２の動作点において、したがって十分な頻度で実行されうる。このために、その時に存在する排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量が、学習値と比較される。学習値は、第２の動作点のために、または、任意の数のさらなる別の動作点のために収集されるため、排気センサの機能を十分な頻度で検査することが保障されうる。

第２の動作点における、出力信号の現在の実測値または当該出力信号から導出される特性量と、以前に定められた学習値との比較の際には、好適に、初期状態に対する変化のみ検出して監視すればよい。システムの全許容差を考慮する必要はなく、このことによって、排気センサの機能の監視が、そのためにより適した第１の動作点以外で初めて可能となる。

排気センサの出力信号の実測値または当該出力信号から導出される特性量と、学習値との簡単な比較は、学習値に上限閾値および下限閾値が割り当てられ、排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量が、監視の間に上限閾値を上回りまたは下限閾値を下回った場合に、排気センサに欠陥があることが推測されることによって可能となる。その際に、閾値の設定の際には、排気センサの出力信号を定める際および動作点を定める際の測定精度と、例えば排気センサの許容しうる老朽化による、排気センサの出力信号の許容しうる変化とが考慮されうる。

個別の誤測定に基づく排気センサが故障しているとの誤診は、連続する監視段階において排気センサに欠陥があることが繰り返し検出される場合に排気センサに欠陥があることが推測されることによって、防止可能である。

排気センサの誤動作を確実に検出しうるために、第２の動作点として、頻繁に達せられる内燃機関の運転状態、および／または、排気センサの監視のために十分な長さの期間に渡って達せられる内燃機関の運転状態、および／または、検出すべき誤動作の際に排気センサが大きなずれ量を示す内燃機関の運転状態が選択されることが構想されうる。

その際に、内燃機関の第２の動作点は、回転数または噴射量または空気量または排気再循環状態によってそれぞれ個別に検討され、または、上記変量を組み合わせて設定されることによって、第２の動作点は一意に設定される。

本発明の好適な変形例に対応して、第１の動作点では、内燃機関が惰行運転で運転され、および／または、第２の動作点では、内燃機関が部分負荷で運転されることが構想されうる。惰行運転は、様々な排気センサ、例えば広帯域ラムダセンサの絶対的な検査を可能とする。なぜならば、この惰行運転では内燃機関に空気が供給されず、動作点が一意に記述され、したがって、一意に定められる所定値との比較のために、センサ信号の十分に正確な測定が実行されるからである。内燃機関は主に部分負荷で運転されるため、ここの第２の動作点で、排気センサの機能の検査を十分な頻度で行うことが可能である。その際に、排気センサの絶対的な検査のための許容差は、部分負荷時には非常に大きい。しかしながら、以前に定められた学習値との比較による本発明に係る相対的な評価によって、部分負荷時であっても、排気センサの誤動作の確実な検出が可能となる。
内燃機関のための運転ストラテジおよび新技術にしたがって、例えば、スタートストップ方式による内燃機関の駆動またはハイブリッド駆動系での使用にしたがって、様々に使用されるセンサの学習機能の実行のためにのみ、特定の動作点が達せられる。内燃機関の通常運転の間には、この特定の動作点はもはや存在しない。それにもかかわらず、排気センサの第１の機能監視を可能とするために、排気センサの第１の機能制御を、排気センサまたはさらなる別のセンサの学習機能の実行のために要求される内燃機関の運転段階の間に行うことが構想されうる。

装置に関する本発明に係る課題は、制御ユニット内には、内燃機関の第１の動作点を活性化し、第１の動作点の間に排気センサの第１の機能制御を実行し、排気センサに問題が無い場合には内燃機関の少なくとも第２の動作点を活性化し、排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量を収集して学習値として制御ユニットに格納する第１のプログラムシーケンスが設けられ、制御ユニット内には、より後の内燃機関の運転の間に、第２の動作点において、排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量と、学習値との比較によって、排気センサの機能の監視を実行する第２のプログラムシーケンスが設けられることによって解決される。

第１のプログラムシーケンスによって、最初に、公知の方法による排気センサの機能の監視が可能となり、したがって、次に計画された学習値の決定のために、確実に、排気センサに欠陥が無いという前提に立つことが可能である。このために、ほとんど達せられない第１の動作点が達せられ、この第１の動作点によって、排気センサの性能の一意の評価が可能となる。

学習値の記録は、頻繁に達せられる内燃機関の第２の動作点において、排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量の決定によって行われる。学習値は現在のシステムのために定められるため、直接的な測定が無い学習値の予測、または、一のシステムから他のシステムへの学習値の伝送を不可能にする許容差は、無視される。したがって、第２のプログラムシーケンスを用いて、頻繁に達せられる内燃機関の第２の動作点において、現在の出力信号または当該出力信号から導出される特性量と、学習値との比較によって、排気センサの性能が証明されうる。その際有利に、制御ユニットの純粋なソフトウェア拡張によって、既存のプロセッサユニットおよびメモリユニットを利用して、機能が安価に実装される。

本方法および本装置は、好適に、ラムダセンサの監視のために使用される。

本方法および本装置はさらに、好適に、スタートストップ駆動で駆動される内燃機関またはハイブリッド車両内で使用される内燃機関の排気管路内の排気センサの監視のために使用される。

以下では、図に示される実施例を用いて、より詳細に本発明を解説する。
学習値を定めるための第１のプログラムシーケンスの第１のフローチャートを示す。 排気センサの機能を監視するための第２のプログラムシーケンスの第２のフローチャートを示す。

図１は、広帯域ラムダセンサとして実現された排気センサの機能の監視のための学習値を決定するための第１のプログラムシーケンスの第１のフローチャートを示す。ここでは、第１のプログラムシーケンスは、内燃機関に割り当てられた図示されない制御ユニット内に保管され、その際に、内燃機関はハイブリッド駆動系の一部である。

第１の機能ブロック１０では、内燃機関が惰行運転で運転される。惰行運転は、内燃機関の平常の運転では設けられておらず、広帯域ラムダセンサの推力適合の実行のためにさらに別に要求される。推力適合の他に、第２の機能ブロック１１において、広帯域ラムダセンサの機能制御のために適切な惰行運転の間に、広帯域ラムダセンサの第１の機能制御が行われる。第１の問い合わせ１２において、第１の機能制御に基づいて、広帯域ラムダセンサが正常であるかが決定される。広帯域ラムダセンサが正常ではない場合には、フローは第３の機能ブロック１３に分岐し、対応するエラー報知が行われる。広帯域ラムダセンサに問題が無い場合には、第１の問い合わせ１２の後に、第４の機能ブロック１４が続く。第４の機能ブロック１４では、内燃機関は、第２の動作点において部分負荷で運転される。その際、第２の動作点は合目的的に達せられ、または、第２の動作点は内燃機関の通常運転の間に設定されうる。第２の動作点は、回転数、噴射量、空気量、および、排気再循環状態によって記述されうる。第２の動作点が存在する場合には、第５の機能ブロック１５において、広帯域ラムダセンサの出力信号が定められ、当該出力信号から求められたラムダ値が、第６の機能ブロック１６において、第２の動作点についての学習値として格納される。

図２は、広帯域ラムダセンサとして実現された排気センサの機能の監視のための第２のプログラムシーケンスの第２のフローチャートを示す。この第２のプログラムシーケンスも、制御ユニット内に保管されている。図１に記載される第１のプログラムシーケンスによって第２の動作点についての学習値が定められている場合に、第２のプログラムシーケンスが起動される。

第７の機能ブロック２０では、内燃機関が平常通りに運転される。その際に、第２の問い合わせ２１において、第２の動作点が存在するかどうかが検査される。第２の動作点が存在しない場合には、内燃機関は引き続き平常通りに運転される。

第２の問い合わせ２１において、第２の動作点が存在することが確認される場合には、第８の機能ブロック２２において、広帯域ラムダセンサの出力信号の決定と、ラムダ値への出力信号の変換とが行われる。第９の機能ブロック２３において、このように求められたラムダ値の実測値が、第２の動作点のための第１のプログラムシーケンスにおいて定められた学習値と比較される。その際に、第３の問い合わせ２４において、ラムダ値の実測値が学習値の辺りの所定の許容範囲内にあるかどうかが検査される。ラムダ値の実測値が学習値の辺りの所定の許容範囲内にある場合には、広帯域ラムダセンサには問題が無いという前提に立ち、フローが第７の機能ブロックに戻る。

ラムダ値の実測値が、学習値の辺りの許容範囲外にある場合には、広帯域ラムダセンサが故障しているという前提に立つ。信頼度を高め、誤ったエラー報知を防止するために、最初に、第１０の機能ブロック２５で、カウンタが１増分値だけ増分される。第４の問い合わせ２６において、カウンタが所定の値Ｎに達したかについて問い合わせが行われる。カウンタが所定の値Ｎに達していない場合には、フローは再び第７の機能ブロック２０に戻る。これに対して、カウンタが所定の値Ｎに達した場合には、すなわち、ラムダ値の実測値と学習値とのずれ量が、許される許容差の範囲外にあることが繰り返し確認された場合には、広帯域ラムダセンサは故障しているという前提に立つ。その後、第１１の機能ブロック２７において、広帯域ラムダセンサが故障しているという診断と、対応するエラー報知とが行われる。

フローは、図１および図２では、広帯域ラムダセンサの機能の監視について例示的に示されているが、好適にほとんど達せられない内燃機関の動作点にその機能監視が行われる他の排気センサのためにも準用することが可能である。各排気センサの機能の監視は、１または複数の動作点に行うことが可能であり、その際に、第１のプログラムシーケンスにおいて、様々な動作点のために学習値を求める必要がある。

広帯域ラムダセンサの場合は、例えば、調整線（Ａｂｇｌｅｉｃｈｌｅｉｔｕｎｇ）上での負荷低下を監視することが可能である。このような負荷低下は、広帯域ラムダセンサの空気濃度信号の乗法的エラーに繋がる。相対的エラーは、測定すべき酸素濃度に依存しない。広帯域ラムセンサの予期される出力信号のとの絶対的ずれ量は、惰行運転において最大である。したがって、公知の方法により、このエラーは、内燃機関の惰行運転時の信号範囲監視によって、または、惰行運転時の計算された信号に対する出力信号の信頼性チェックによって監視される。

ハイブリッド駆動系の場合は、広帯域ラムダセンサのための学習機能による要求に応じてのみ惰行運転が採用されることが構想される。すなわち、診断の頻度が大幅に減少する。しかしながら、調整線上での負荷低下は、広帯域ラムダセンサの出力信号に対して大きな影響を及ぼす。このエラーの監視のために、惰行運転が採用される段階に、広帯域ラムダセンサが正常であるかどうかが検査される。広帯域ラムダセンサが正確に機能しているという前提に確実に立てる場合には、１の動作点またはさらなる別の動作点において、学習値が、内燃機関の部分負荷時に、酸素濃度について記録される。その際に、学習値として、広帯域ラムダセンサの出力信号または当該出力信号から形成されるラムダ値が利用される。したがって、車両およびセンサに固有の学習値が、設定された動作点のために求められる。惰行運転がもはや採用されない場合には、走行サイクルのさらなる過程において、この学習値の遵守が、第２のプログラムシーケンスにおける監視機能によって監視される。出力信号の実測値または当該出力信号から形成されるラムダ値が学習値からずれている場合には、広帯域ラムダセンサが故障していることが推測されうる。

Claims (12)

1. 内燃機関の排気管路内の排気センサの機能を監視する方法であって、
   前記内燃機関の第１の動作点で、前記排気センサの第１の機能制御が行われ、排気センサに問題が無い場合には、前記内燃機関の少なくとも第２の動作点で、前記排気センサの出力信号または当該出力信号から導出される特性量が定められて学習値として格納され、
   前記排気センサの前記機能の前記監視は、より後の前記内燃機関の運転の間に、前記第２の動作点において、前記排気センサの前記出力信号または当該出力信号から導出される前記特性量と、前記学習値との比較によって行われることを特徴とする、内燃機関の排気管路内の排気センサの機能を監視する方法。
2. 前記学習値には、上限閾値または下限閾値が割り当てられ、前記排気センサの前記出力信号または前記当該出力信号から導出される前記特性量が、前記監視の間に前記上限閾値を上回りまたは前記下限閾値を下回る場合には、排気センサに欠陥があることが推測されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 連続する監視段階において排気センサに欠陥があることが繰り返し検出される場合には、排気センサに欠陥があることが推測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. 第２の動作点として、頻繁に達せられる前記内燃機関の運転状態、および／または、前記排気センサの前記監視のために十分な長さの期間に渡って達せられる前記内燃機関の運転状態、および／または、検出すべき誤動作の際に前記排気センサが大きなずれ量を示す前記内燃機関の運転状態が選択されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記内燃機関の前記第２の動作点は、回転数または噴射量または空気量または排気再循環状態によってそれぞれ個別に検討され、または、前記変量を組み合わせて設定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１の動作点では、前記内燃機関が惰行運転で運転され、および／または、前記第２の動作点では、前記内燃機関が部分負荷で運転されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記排気センサの前記第１の機能制御は、前記排気センサまたはさらなる別のセンサの学習機能の実行のために要求される前記内燃機関の運転段階の間に行われることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記排気センサは、ラムダセンサであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記排気センサは、スタートストップ駆動で駆動される内燃機関の排気管路内の排気センサ、または、ハイブリッド車両内で使用される内燃機関の排気管路内の排気センサであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 内燃機関の排気管路内の排気センサを監視する装置であって、前記内燃機関の制御および前記排気センサの出力信号の評価のために前記内燃機関および前記排気センサに割り当てられた制御ユニットを備える、前記装置において、
    前記制御ユニット内には、前記内燃機関の第１の動作点を活性化し、前記第１の動作点の間に前記排気センサの第１の機能制御を実行し、排気センサに問題が無い場合には前記内燃機関の少なくとも第２の動作点を活性化し、前記排気センサの前記出力信号または当該出力信号から導出される特性量を収集して学習値として前記制御ユニットに格納する第１のプログラムシーケンスが設けられ、
    前記制御ユニット内には、より後の前記内燃機関の運転の間に、前記第２の動作点において、前記排気センサの前記出力信号または当該出力信号から導出される前記特性量と、前記学習値との比較によって、前記排気センサの前記機能の前記監視を実行する第２のプログラムシーケンスが設けられることを特徴とする、内燃機関の排気管路内の排気センサを監視する装置。
11. 前記排気センサは、ラムダセンサであることを特徴とする、請求項１０に記載の内燃機関の排気管路内の排気センサを監視する装置。
12. 前記排気センサは、スタートストップ駆動で駆動される内燃機関の排気管路内の排気センサ、または、ハイブリッド車両内で使用される内燃機関の排気管路内の排気センサであることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の内燃機関の排気管路内の排気センサを監視する装置。
    

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