JP5797876B2 - 内燃機関の排気システム内に配置された排気プローブを診断する方法、および、当該方法を実行するための装置、コンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気システム内に配置された排気プローブを診断する方法、当該方法を実行するための装置、コンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品に関する。

独国特許出願公開第１９７２２３３４号明細書では、少なくとも１つの排気ガス成分に対して感度良く反応する排気プローブを診断するために、排気ガス成分の濃度の変化に対して信号が反応する際の変化率を利用することが開示されている。

この場合、内燃機関で検出されたオーバーラン・フェーズにおいて、プローブ信号が排気ガス成分についての変化した濃度に対して反応するまでの時間が測定される。予想されるプローブ信号の正確な予測は、燃料が遮断された内燃機関のオーバーラン・フェーズ（Ｓｃｈｕｂｐｈａｓｅ）等の支配的な駆動条件に基づいては容易に行えるわけではなかった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、内燃機関の特別な駆動状態が検出された後に排気プローブの診断が実行されることが可能な、新規かつ改良された排気プローブを診断する方法、および、本方法を実行するための装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの排気プローブを診断する方法であって、その際、信号変化と予想される信号変化とが比較される、内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの排気プローブを診断する方法において、前記内燃機関の特別な駆動状態が検出され、かつ、前記内燃機関のこの特別な駆動状態において診断のために、モーメントに作用しない試験噴射または前記内燃機関の操作者を妨害しない試験噴射が行なわれることを特徴とする、内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの排気プローブを診断する方法が提供される。

上記方法では、特別な駆動状態として内燃機関のオーバーラン・フェーズを利用してもよい。

上記方法では、特別な駆動状態として擬似停止状態を利用してもよい。

上記方法では、前記排気プローブの信号が排気組成の変化の後に続くまでの時間遅延からの実際の遅延時間の算出、および、実際の遅延時間と、格納または計算された目標遅延時間との比較をしてもよい。

上記方法では、前記排気プローブの実際の信号推移の決定、ならびに、格納された目標信号推移との比較、または、例えば、噴射される燃料量、空気流量値、および信号推移に特徴的な時間値の関係に従って計算された目標信号推移との比較をしてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記の方法を実行するために、少なくとも１つの特別に準備された制御装置と排気プローブとが設けられていることを特徴とする、内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの排気プローブを監視するための装置が提供される。

更に、上記方法では、広帯域ラムダセンサの利用をしてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、演算装置で駆動する場合に、上記の方法の全工程を実行するコンピュータプログラムが提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、プログラムがコンピュータまたは制御装置で実行される場合に上記の方法の全工程を実行するための、機械読取り可能な媒体に格納されたプログラムコードを有する、コンピュータプログラム製品が提供される。

以上説明したように本発明によれば、内燃機関の特別な駆動状態が検出された後に排気プローブの診断が実行されることが可能となる。

本発明にかかる方法が実行される技術的環境を示す。 内燃機関の排気システム内に配置された排気プローブの反応を示す。 本発明にかかる制御装置プログラムのフローチャートを示す。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本実施形態にかかる方法は、内燃機関の特別な駆動状態が検出された後に排気プローブの診断が実行されるという利点を有している。プローブ信号を評価するために、内燃機関の検出された特別な駆動状態において、モーメントに作用しない（ｍｏｍｅｎｔｅｎｎｅｕｔｒａｌ）試験噴射、または、内燃機関の操作者を妨害しない設定可能な試験噴射が行なわれる。

試験噴射で噴射される試験燃料の設定可能な量を基にして、排気プローブの信号変化が起こるまでの予想される時間、信号変化率、および／または、信号の推移を十分正確に計算することが可能である。ユーザの望んだモーメントに関係なく設定することが可能な、試験燃料の噴射量によって、噴射時点へのこの特徴の厳密な割り当てが許容され、排気プローブの特性を検査することが可能になる。

本発明にかかる手順の好適な発展形態および実施形態は、特許請求の範囲に記載の従属請求項から明らかとなろう。

排気プローブ信号の評価が実行される際の特別な駆動状態は、内燃機関のオーバーラン・フェーズに相当する。オーバーラン・フェーズを検出するために、噴射された燃料の量および目下の回転数等の異なる信号が監視される。複数の条件の可能な組み合わせとして、例えば、目下の駆動状態の間に噴射された燃料の量が設定可能な閾値を下回っているか、かつ、目下の回転数が設定可能なアイドル回転数よりも大きいかということについての監視が挙げられる。オーバーラン・フェーズを検出するための全信号条件が満たされる場合、内燃機関は、有利に、排気プローブの監視に利用可能な特別な状態にある。

排気プローブ信号の評価が実行可能な更なる別の有利な特別な駆動状態は、内燃機関の擬似停止状態である。排気プローブの診断に関連する信号が僅かにだけ変化する場合に、擬似停止状態が存在する。診断に関連する信号条件の可能な組み合わせとして、例えば、目下の駆動状態の間に噴射される燃料量と、目下の空気量とが所定の閾値を下回っているかどうかについての検査が挙げられる。該当する場合には、排気プローブの検査のために、内燃機関の特別な駆動状態が実現される。

更なる別の利点として、プローブ信号が噴射の結果生じる排気組成の変化の後に続くまでの遅延時間を考慮することが挙げられる。

進行中の燃焼行程と、変化した排気組成が排気プローブに至るまでの排気管に及ぶまでの時間遅延から算出された遅延時間は、近似的に、駆動点に対応するプローブ信号の反応時間として更なる信号評価のために利用される。本発明にかかる主題の更なる別の実施形態は、信号変化および／または信号検出の後に、求められた実際の反応時間と制御装置に格納された目標反応時間との間に関する目標値と実際値との比較（Ｓｏｌｌ−Ｉｓｔ−Ｖｅｒｇｌｅｉｃｈ）を行なうことを想定している。例えば、最大許容反応時間との閾値比較等によるこの検査の結果は、品質的な判断のために、および／または、プローブ信号および／または排気プローブの診断のために利用される。

更なる別の利点として、適切なオーバーラン・フェーズの間の設定可能な噴射量によって、排気プローブの目標信号推移が十分正確に計算されることが挙げられる。目標信号推移は、例えば、空気量に対する噴射量の比率と、時間とから計算される。

本発明にかかる技術主題の実施形態は、信号変化の後に目標値と実際値との比較を実行し、排気プローブの実際の信号推移と計算された目標信号推移とを比較することを構想している。この信号比較のために、例えば、２つの点、または対称点の間での上昇率または下降率等の、信号推移の特定の特徴が判定のために考慮される。この比較によって、質的な評価、および／または、プローブ信号および／または排気プローブの診断が可能である。

信号評価が成功裏に終了しない場合には、プローブ信号および／または排気プローブのエラー状態が検出される。または、信号評価を実行するために適切な駆動状態が、予想された時点より前に終わり、診断の終了が不可能であったということである。それ以外の場合、診断は成功裏に終了する。エラー状態の発生は、エラーランプの作動等により報知することが可能である。

本方法を実行するための本発明にかかる装置は、まず、本方法を実行するための方法を含む特別に準備された制御装置と、排気プローブとに関わる。

本方法を実行するための本発明にかかる装置は、排気プローブとして特に（ｖｏｒｚｕｇｓｗｅｉｓｅ）広帯域ラムダ（波長）センサを利用する。

制御装置は、特に（ｖｏｒｚｕｇｓｗｅｉｓｅ）、本方法の工程が制御プログラムとしてその中に格納されている少なくとも１つの電気的記憶装置を含んでいる。

本発明にかかる制御装置プログラムは、制御装置内で駆動する場合に本発明にかかる全工程が実行されることを構想している。

機械読取り可能な媒体に格納されているプログラムコードを有する、本発明にかかる制御装置・プログラム製品は、プログラムが制御装置で駆動する場合に本発明にかかる方法を実行する。

ラムダ制御は、燃焼を制御するため、および、内燃機関のための効果的な排気清浄方法を可能にするための重要な部分である。今日利用可能な点火システムおよび噴射システムとの相互作用によって、非常に低い排ガス値が実現される。ラムダ値は、実際に存在する混合気体が、ディーゼル燃料１ｋｇに対して空気１４，５ｋｇという、完全燃焼のために理論的に必要な質量比とどの程度異なっているのかを示している。この場合ラムダは、供給された空気量を理論的な空気需要量で割った商に相当する。

広帯域ラムダセンサ等の動的特性を監視するために、内燃機関の状態の特定の変化におけるラムダ信号の上昇が評価される。特性を分類するために、信号変化の遅延時間、プローブ信号の勾配、または、目標信号変化と実際の信号変化との関係等の異なる値が検出される。

図１は、特に信号検出および信号評価のためのタスクを有する制御装置１を備えた内燃機関を示している。吸入空気供給線２を介して、シリンダ８とピストン７とから形成される燃焼室９内へと外気が導かれる。より良く概観できるように、吸入弁および排出弁は記載されていない。噴射ノズル６を介して、燃料が燃焼室内に噴射される。ピストンによる圧縮の後に、混合気は点火プラグ５によって点火される。燃焼行程によって放たれるエネルギーが、ピストンの下降運動を介して、記載されない連接棒へと伝達される。排出サイクルでは、ガス燃焼生成物が排出パイプ４を通って排気管に供給される。例えばラムダセンサ等の、排出パイプ内に突き出している排気プローブ３は、混合気体の組成を測定する。より良く概観できるように、本方法は、図１ではシリンダに関してのみ記載される。オットーエンジンを例に示される本方法は、ディーゼルエンジン、オットーエンジンとディーゼルエンジンとの混合形態、異なる駆動形態の組み合わせ「ハイブリッド」、またはガスエンジン等の他の形態の内燃機関を用いても可能である。

図２は、噴射信号に対するプローブ信号の反応を示している。ｘ軸（ｔ軸）に沿って、時間が刻まれている。ｙ軸（ｓ軸）は信号強度を示している。信号１０は、特別な噴射強度（信号の高さ＝Ｙ軸（ｓ軸））および噴射時間（時間＝Ｘ軸（ｔ軸））において行なわれた噴射を表している。噴射量は、噴射強度と噴射時間との積によって生じる。遅延時間１２の後に、排気プローブ３は、信号１１によって、試験燃料量の噴射に起因する排気組成の変化に対して反応する。噴射は、通常の場合、内燃機関の回転トルクに対する噴射された燃料の寄与と結びついている。ここでは、内燃機関のユーザを妨害するモーメントへの寄与（Ｍｏｍｅｎｔｅｎｂｅｉｔｒａｇ）が噴射により行なわれないように、噴射量、噴射時点、および、内燃機関の駆動点を選択することが重要である。従って、噴射によってモーメントへの寄与が全く伝達されない、またはモーメントへの寄与が極僅かに伝達される内燃機関の駆動フェーズが選択される。さらに、噴射量が適切に選択される。図２では、回転トルクの著しい上昇が起きないように時間が選択されている個々の噴射が示されている。選択的に、複数の非常に短く小さい試験噴射も利用することが可能である。試験噴射は、途切れることなく連続して行なわれ、噴射強度が低減された、時間的に延長された噴射とも言える。内燃機関のオーバーラン状態は、モーメント・ニュートラルな噴射を行なうことが可能な駆動フェーズとして特に適切である。このようなオーバーラン状態においては、例えば、エンジンが車両によって回転運動に保たれる車両状態が関わっている。典型的なオーバーラン状態として、例えば、高速道路において、クラッチを繋いだままの状態でアクセルペダルを踏むことなく回転することが挙げられる。発電のために内燃機関が停止している場合、空転が適切な駆動フェーズである。更なる別の駆動状態として、内燃機関の擬似停止状態が利用される。このような状態は、時間的に非常にゆっくりとした信号変化を特徴とする。プローブ信号が図２に示されている。可能なプローブとして、ここでは例えば、広帯域ラムダセンサ、排気温度センサ、または、排気の化学組成もしくは物理特性（粒子数等）を測定する他のセンサが問題となる。対応して、センサ信号も構成されることが予想される。基本的に、ここでは、反応時間とも呼ばれる遅延時間１２を、後の排気プローブの診断のために利用することが可能である。さらに、信号の絶対的高さ、または、信号の変化率を利用することも可能である。噴射には定義された終了も含まれるので、プローブ信号の下降も評価することが可能である。各プローブの種類のためにどの信号が適切であるかについては、排気プローブの特性を基にして決定される。以下、（他の変数の他に）反応時間および信号上昇時間が重要なラムダセンサを基に記載する。

図３に示されるフローチャートは、ラムダセンサを例とした場合の排気プローブの診断方法を示している。内燃機関の排気プローブを監視するために、プローブ信号の最初の反応までの反応時間、および予想される信号上昇が信号評価のために利用される。このために、第１工程３１では、例えば酸素濃度が公知の定値を有している等の、内燃機関の特別な駆動状態が決定される。車両においては、この種の特別で適切な駆動状態は、オーバーラン状態、または、内燃機関が組み込まれている車両の擬似停止状態に相当する。

適切な駆動状態が決定されている場合には、更なる工程３２において、目下の駆動点に対応する、モーメント・ニュートラルな噴射量、および／または操作者を妨害しない噴射量が計算される。この噴射量は、モーメントに作用する噴射量と比較して非常に小さく、噴射は、目下の駆動点に対応して、時間的には基本的に主噴射等より遅く行なわれる。噴射に利用されるべき燃料の量を設定出来ることによって、予想される信号変化および／または上昇率を正確に予想することが可能である。噴射システムに前もって設定された燃料量によって、内燃機関内での噴射が行なわれる。

次の工程３３では、プローブ信号が排気組成の変化に対して反応するまでの時間が求められる。この求められた遅延時間は、近似的に駆動点に対応する実際の応答時間として、更なる別の評価のために格納される。工程の戻り（フィードバック）は、プローブ信号の変化が存在するかについての継続的な問い合わせに相当する。プローブ信号の変化が検出される場合、求められた反応時間が格納される。プローブ信号が変化した排気組成の後に続くまでの定義された最大時間が予想される問い合わせの中断条件は記載されていない。この限界を超える場合、排気プローブの破損等のエラーが存在する。

次の工程３４では、駆動点に対応する格納された目標反応時間と、先行工程で求められた実際の反応時間との比較が実行される。ここでは、求められた実際の反応時間と目標反応時間との間の偏差が設定可能な閾値を下回っているかどうかについて検査される。目標反応時間と実際の反応時間との間の偏差が閾値を上回る場合には、排気プローブのエラーが推測される。更なる工程３５では、エラーデータが更なる処理のために準備される。これは、例えば、エラーデータ格納および／または診断ユニットへの転送の形態等において行なうことが可能である。エラー発生は、エラーランプの作動等によっても報知することが可能である。

更なる別の工程４１では、信号が特定の値に達するまでの時間、または特定の信号推移を描くまでの時間が求められる。これは、信号が閾値を超えてしまうまでの実際のプローブ信号上昇時間等に相当しうる。選択的に、複数の点の間の勾配、特に、３０％から最大値６０％へのプローブ信号の上昇、または、最大値から最小値への信号下降時間等の特性も想定可能である。予想される目標プローブ信号上昇時間は、この工程において追加的に異なる特性から、例えば施された噴射量および空気量に従って計算される。更なる別の可能性として、異なる特性に対応した予想される目標プローブ信号上昇時間が、制御装置の記憶装置に格納されており、この工程において、計算する代わりにこの値が記憶装置からロードされることが挙げられる。この工程で実行されるローパスフィルタリングによって、実際のプローブ信号上昇時間の信号が雑音から解放される。

次の工程３８では、先行工程で求められたプローブ信号上昇時間の目標値と実際の値との比較が実行される。すなわち、実際のプローブ信号上昇時間が、目標のプローブ信号上昇時間の予想される信号推移に対応するかどうかについて決定される。格納された閾値は、実信号と計算された目標信号との間の正または負の偏差の判定のために利用される。フィルタにかけられた実信号は、どの発生したプローブエラーの場合も、目標信号の周辺（μｍ）の閾値により定義された範囲内に存在しない。選択的に、上昇時間の目標値と実際の値との比較のために、プローブ信号の下降時間の目標値と実際の値との比較を実行することが可能である。プローブ信号を検査するために、範囲検査、信号推移、点検査、（閾値を）上回るまたは下回ること（Ｕｅｂｅｒ− ｏｄｅｒ Ｕｎｔｅｒｓｃｈｒｅｉｔｕｎｇ）が許容される回数、および／または、これら基準の組み合わせ等の異なる判定基準が利用される。例えば応用ケースでは、３０％から最大値６０％へのプローブ信号の上昇、および、６０％から３０％へのプローブ信号の低下が特徴的な信号推移全体を、プローブの検査に利用することが可能である。閾値について定義された許容範囲の外で、目標信号と実信号との偏差が確認された場合には、排気プローブのエラーを推測することが可能である。更なる工程３９では、エラーデータが更なる処理のために準備される。これは例えば工程３５のように、エラーデータの格納および／または診断ユニットへの転送の形態で行なうことが可能である。次の工程４０では、プローブ検査が成功裏に終了しており、結果が診断ユニット等に転送される。

本発明は、内燃機関の排気システム内に配置された排気プローブを診断する方法、および、特許請求の範囲に記載の独立請求項のプリアンブルに記載の方法を実行するための装置に関する。コンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品も、本発明の主題である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの排気プローブを診断する方法であって、その際、信号変化と予想される信号変化とが比較される、内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの前記排気プローブを診断する方法において、
   前記内燃機関の特別な駆動状態が検出され、かつ、前記内燃機関の前記特別な駆動状態においての診断のために、モーメントに作用しない試験噴射であり且つ前記内燃機関の操作者を妨害しない試験噴射が行なわれ、
   前記試験噴射は、前記排気プローブの診断のために、前記内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁によって行われ、
   前記内燃機関の前記特別な駆動状態は、目下の駆動状態の間に噴射される燃料量と、目下の空気量とが所定の閾値を下回っている状態であることを特徴とする、内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの排気プローブを診断する方法。
2. 前記排気プローブの信号が排気組成の変化の後に続くまでの時間遅延からの実際の遅延時間を算出すること、および、実際の遅延時間と、格納または計算された目標遅延時間との比較をすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記排気プローブの実際の信号推移の決定をすること、ならびに、前記信号推移と格納された目標信号推移とを比較すること、または、噴射される燃料量、空気流量値、および／又は信号推移に特徴的な時間値の関係に従って計算された目標信号推移とを比較することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 請求項１〜請求項３の少なくとも１つに記載の方法を実行するために、少なくとも１つの特別に準備された制御装置と排気プローブとが設けられていることを特徴とする、内燃機関の排気システム内に配置された少なくとも１つの排気プローブを監視するための装置。
5. 前記排気プローブとして、広帯域ラムダセンサの利用を特徴とする、請求項１に記載の方法。

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