JP5805657B2 - 内燃エンジン又は該エンジンの排気ガス後処理システムにおけるセンサの酸素ポンプ・セルのための改良された制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジン又は該エンジンの排気ガス後処理システム内におけるセンサの酸素ポンプ・セルのための改良された制御方法及び装置に関する。

現在の及び将来の排出物法に適合しなければならない燃焼エンジンは、後処理システム、及び／又は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを利用するが、それは、ＮＯｘ排出物を、当該法によって強いられる限度よりも低く減少させるためである。双方のタイプのシステムは、固体状態の酸素、ＮＯｘ、及びラムダ(lambda)値のセンサに依存している。これらのセンサは電気化学ポンプを含み、該ポンプにおいて酸素イオンは、固体状態の電解質セルを通って汲み上げられる。

図１に示されているように、ラムダ・センサは、空気を有する参照キャビティ１と排気ガスを有する測定キャビティ２とを含む。該排気ガスは、拡散障壁３を通って測定キャビティに入る。ポンプ・セル４は、固体状態の電解質を用いるが、キャビティ２と排気ガス側との間に存在する。該ポンプ・セル４を通って、酸素は、該セルの外へ電気化学的に汲み出されるか、又は、ガソリン・システムのために該セルの内部に入る。

電位差測定ラムダ・センサ・セル５が、参照キャビティ１と測定キャビティ２との間に存在する。ポンプ・セル４のポンプ電流は酸素イオン電流に等しいが、電位差測定ラムダ・センサ・セル５から得られる、測定キャビティと参照キャビティとの間の電気化学ポテンシャル６が一定のレベルに維持されるように、前記ポンプ電流は制御される。通常このレベルは、ゼロ近くまで、測定キャビティにおける酸素濃度に対応する。ポンプ・セルのポンプ電流は、排気ガス中の酸素濃度に強く相関する。従って、該酸素濃度は前記ポンプ電流から得ることができる。

図２に示されるように、酸素センサの構造は、図１のラムダ・センサの構造に類似する。該酸素センサは、測定キャビティ（２）と参照キャビティ（１）との間の電気化学ポテンシャル６を一定に維持せず、むしろ、該電気化学ポテンシャル６は、前記ポンプ・セル４内の一定のポンプ電流を用いて明確に定義された二つのレベルの間を、上昇したり下降したりする。そして、前記酸素濃度は、二つのポテンシャル・レベルの間の昇降の時間から得ることができる。

図３に示されているように、ＮＯｘセンサが示すのは、空気を有する参照キャビティ１と、少なくとも二つの連続する測定キャビティであって、該測定キャビティは、関連する複数の電気化学ポンプを備える。排気ガスは、拡散障壁９を通って第一測定キャビティ８に入る。該第一測定キャビティの第一ポンプ・セル１０は、酸素に対する選択性を示し、ＮＯｘは作用されない。このポンプを用いて、該第一キャビティ８において、酸素はほぼ完全にガスから除去される。残っているガスは、少量の酸素を含むが、ＮＯｘは、第二拡散障壁１２を通って第二測定キャビティ１１に入る。第二ポンプ・セル１３は、ポンプ電流が、ガスからの酸素イオン電流、及び、解離されたＮＯｘからの酸素イオン電流の双方と相互に関連するように設計されている。従って、第二セル１３のポンプ電流は、ＮＯｘ濃度に強く相関し、それによって、その決定に用いることができる。

上記の全ての検知の原理は、安定したポンプ電流のフィード・バック制御のループに依存している。エンジンの過渡運転の間、酸素含有量は強く速く変化し、それによって、制御ループ内の重い外乱とそれに伴う不安定なセンサ信号が生じる。一般的にセンサ信号は、過渡運転の間、とりわけディーゼル環境においては信頼できず、そこでは、酸素濃度の予期される変動がとても重要である。ガソリンや天然ガスのエンジンは、一般的に一定の空燃比で運転され、そのような変動は、燃料が遮断された局面でのみ生じる。

従って、周知のセンサにおいては、過渡段階の間の低下した信頼性によって、非線形のフィルター技術の必要が生じるが、それはエンジン内において、センサ反応及びそれによるフィード・バック制御ループの帯域幅を大きく鈍化させ、攪乱させることもある。

従って、本発明の主要目的は、内燃エンジン又は該エンジンの排気ガス後処理システムにおけるセンサの酸素ポンプ・セルのための改良された制御手段及び制御装置を供することである。

本発明の基本理念は、固体状態の電解質センサの酸素ポンプ電流の制御手段を改良することであり、それは、エンジンのプロセス・データを用いたフィード・フォワード・パスによるものである。

好ましくは、空燃比、酸素濃度、ＮＯｘ濃度、又は他の排気ガス特性が用いられ、それらは、期待酸素ポンプ電流を推定するために、エンジン運転データから計算される。

好ましくは、排気ガスの状態を特徴づけるための物理量、例えば、温度、圧力、湿度、エンジン速度、燃料量、圧力変動が用いられ、それらは、期待酸素ポンプ電流の潜在的な外乱と偏向を予期し相殺するために用いられる。

これらの、及び更なる目的は、付属する請求項に記載の、内燃エンジン又は該エンジンの排気ガス後処理システムにおけるセンサの酸素ポンプ・セルのための改良された制御方法及び制御装置によって実現され、当該請求項は本記述に不可欠の部分を構成する。

本発明は、以下に詳述する記述から十全に明らかとなるが、それは、単なる実施例であって限定的ではない例によるものであり、以下に付随する図面を参照して読まれるべきものである。

図１が示すのは、周知のラムダ・センサの概略図である。 図２が示すのは、周知の酸素センサの概略図である。 図３が示すのは、周知のＮＯｘセンサの概略図である。 図４が示すのは、本発明に従う付加的フィード・フォワード・パスを含むポンプ電流制御手段の概略図である。 図５が示すのは、電位差測定ラムダ・センサの出力電圧とラムダ値とのあり得る傾向である。 図６が示すのは、本発明に従う付加的フィード・フォワード・パスの更に詳細な概略図である。

複数の図面における同一の参照番号及び参照文字は、同一の又は機能的に等価な部分を指示している。

本発明によれば、エンジン運転データが、酸素ポンプ制御手段のパフォーマンスを高めるために用いられる。これによって、センサ反応の大幅な加速が可能となるが、これにより、過渡段階におけるセンサの精度を高め、それにより、制御ループの帯域幅を広げることが可能となる。

おおよその酸素の分圧、及び／又は、空燃比（ラムダ）は、一般的なエンジンの管理及び後処理システムの双方にとって、重要な量である。従って、この情報は常にエンジン制御ユニットにおいて利用可能である。これらの量は、シリンダ内の注入された燃料及び酸素の現在量から直接計算することができるので、エンジン・シリンダの排出口の下流に載置されたセンサに影響を与える前に、常に利用可能である。従って、この情報は、フィード・フォワード制御手段によって酸素ポンプ電流を事前に調整するために用いることができる。

そのような設定によって、フィード・バック制御手段は、局所的な外乱を安定化しさえすればよい。これによって、同様に、単純なフィルター・アルゴリズムを用いることが可能となり、それにより、制御ループの帯域幅を大きく広げることが可能となる。

図４を参照すると、周知のポンプ電流制御手段は、加算器４２を通じて、電位差測定セル（図１、図２、図３の５）の出力電圧と電圧設定点からの参照電圧４３との間の差分として与えられる電圧４１を決定する手段を備える。後者の電圧は、周知の方法で決定される。例えば、ラムダ値（λ）及びＮＯｘのセンサにおいて、この電圧は通常約４５０ｍＶであり、それは、化学当量、すなわち、余分の酸素も余分の還元剤（ＣＯ、Ｈ_２、ＨＣ等）も存在しない条件に対応する。

図５を参照すると、電位差測定ラムダ・センサにおける、ラムダλ（空燃比）と出力電圧との典型的な傾向が示されている。すなわち、中央点（４５０ｍＶ）においてλ＝１（化学当量、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等だけが存在する）であり；λ＜１（Ｈ_２、ＣＯ、ＨＣ等が過剰）では、出力電圧が増加し；λ＞１（Ｏ_２、ＮＯｘ等が過剰）では、出力電圧が減少する。

電圧４１が、ポンプ・セル（図１及び図２の４、及び図３の１３）内の電流のためのポンプ電流制御手段４４の入力部にもたらされる。該ポンプ電流制御手段４４の構成は周知である。周知の制御手段において、電流制御手段４４の出力は、ポンプ・セルに寄与するのみである。ポンプ・セル（図１、図２、図３の４及び１３）の出力における電流は、上記もされた周知の測定ブロック４５で測定され、出力において、前記ポンプ・セルにかけられる電圧を与える。

本発明によれば、推定パラメータ・ラムダ４６が、車両の電気制御ユニットから来て、ポンプ電流推定手段４７にもたらされるが、該推定手段４７の出力４８は、フィード・フォワード制御として、ポンプ電流制御手段４４の出力に加えられて、用いられ、所望の電流及びそれによるポンプ・セルの電圧の決定に貢献する。

図６を参照すると、パラメータ・ラムダ４６は、ブロック６１において周知の方法で推定されるが、例えば、シリンダに入る新鮮な空気の質量、注入される燃料の質量、及び、シリンダの排出部における再循環される排気ガスの質量の入力測定値から推定される。

ポンプ電流推定手段４７は、ブロック６２を備え、該ブロックは、シリンダからセンサへの移送時間遅延を推定するが、それは入力データに基づくものであり、該入力データはすなわち、空燃比の推定パラメータ・ラムダ４６、及び既に利用可能なガス流量の入力測定値であって、例えば、酸素及びＮＯｘの濃度、パイプの体積、ガス圧、ガスの温度、湿度、エンジン速度、燃料量、圧力脈動である。時間遅延は、シリンダの排出部とセンサの位置との間の体積におけるガス質量から、及び、ガス流量から得ることができるが、前者を後者の量で割ることによるものである。次に、貯蔵されたガス質量は、周知の気体の状態方程式を用いて、圧力、温度、パイプの体積から計算することができる。

加えて、ポンプ電流推定手段４７においては、ラムダ・パラメータと測定されるガス内の酸素濃度との間の関係の表（ブロック６３）、及び、酸素濃度とポンプ電流との間の関係の表（ブロック６４）も利用できる。これらの関係は、予め組み込まれており、特定のシステムの設定、すなわち、エンジンと用いられるセンサの双方に依存する。これらの表の例は、例えば、Ｂｏｓｃｈ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，７^ｔｈｅｄｉｔｉｏｎ，ＩＳＢＮ９７８−０−４７０−５１９３６−３で見ることができる。

推定された移送時間遅延を考慮すると、二つのカーブが、出力４８において、ブロック６３と６４における相関パラメータの期待値、ひいては、その時点でのポンプ電流を提供するが、該ポンプ電流は、その時点において電位差測定セル５の電圧レベルの安定維持に必要であることが予期される（図４）。

ポンプ電流推定手段は、前記の三種類のセンサに対して、同一である。異なり得る点は、該センサによって課される条件、すなわち、拡散障壁の抵抗である。キャビティに入る酸素の総量は、外にくみ出されなければならない。従って、前記バリアを通る定常状態の酸素分子流は、酸素イオン電流に等しい。

本発明によれば、当該改良された制御方法は、固体状態の電解質センサ装置における酸素ポンプ電流の制御手段を改良することを有し、それは、エンジンのプロセス・データを用いたフィード・フォワード・パスによるものである。

好ましくは、空燃比、酸素濃度、ＮＯｘ濃度、又は他の排気ガス特性が用いられ、それらは、期待酸素ポンプ電流を推定するために、エンジン運転データから計算される。

好ましくは、排気ガスの状態を特徴づける物理量、例えば、温度、圧力、湿度、エンジン速度、燃料量、圧力脈動が用いられ、それらは、期待酸素ポンプ電流の潜在的な外乱及び偏差を予期し相殺するために用いられる。

本発明の方法は、プログラム・コーディング手段を備えるコンピュータのためのプログラムを通して有利に実装されるが、それは、このプログラムがコンピュータ上で実行される際、当該方法の一つ以上のステップを実行するためである。従って、理解されるべきは、保護範囲が、コンピュータのためのそのようなプログラム、加えて、記録されたメッセージを有するコンピュータ読み込み可能手段にまで拡張され、前記コンピュータ読み込み可能手段は、このプログラムがコンピュータ上で実行される際、当該方法の一つ以上のステップを実行するためのプログラム・コーディング手段を備える。

本発明によって、多くの便益が成し遂げられる：
−例えば、酸素センサ、ラムダ・センサ、又はＮＯｘセンサのような固体電解質センサ内のポンプ電流制御手段の増加した処理帯域幅；
−酸素センサ、ラムダ・センサ、ＮＯｘセンサのより速い反応；
−酸素センサ、ラムダ・センサ、ＮＯｘセンサの、とりわけ過渡運転及び燃料遮断時における、改良された正確性；
−排気ガスの状態（λ、ＮＯｘ濃度）の改良された制御；
−後処理システム（例えばＳＣＲ）及びＥＧＲの改良された制御及びそれによる改良された排出物制御。

ここで主題となる発明の、多くの変化、修正、変更、及び他の利用や適用は、当業者にとって、好適実施例を開示する本明細書と付随する図面を読んだ後、明白となるであろう。そのような全ての変化、修正、変更、及び他の利用や適用は、本発明の精神及び範囲から離れることなく、本発明の対象となるものとみなされる。

更なる実施の詳細は述べられないが、それは、当業者が上記の教示から開始する発明を実行可能だからである。

１ 参照キャビティ
２ 測定キャビティ
３ 拡散障壁
４ ポンプ・セル
５ 電位差測定セル
６ 電気化学ポテンシャル
８ 第一測定キャビティ
９ 拡散障壁
１０ 第一ポンプ・セル
１１ 第二測定キャビティ
１２ 第二拡散障壁
１３ 第二ポンプ・セル
４１ 電圧
４２ 加算器
４３ 参照電圧
４４ ポンプ電流制御手段
４５ 測定ブロック
４６ 推定パラメータ・ラムダ
４７ ポンプ電流推定手段
４８ 出力
６１ ブロック
６２ ブロック
６３ ブロック
６４ ブロック

Claims (8)

1. 内燃エンジン又は該エンジンの排気ガス後処理システムにおけるセンサの酸素ポンプ・セルを制御するための方法において、前記ポンプ・セル内の電流のフィード・バック制御に、更にフィード・フォワード制御パスを加えるステップを有し、該フィード・フォワード制御パスでは、エンジン運転データから計算される前記排気ガスの特性を基に、期待酸素ポンプ電流を推定することを特徴とする方法。
2. 前記フィード・フォワード制御パスが：
   −シリンダからセンサへのガス流の移送時間遅延を推定するステップであって、前記排気ガスの前記特性を基に推定するステップと；
   −前記移送時間遅延を用い、空燃比（ラムダ）パラメータ及び酸素濃度との間の関係、及び、該酸素濃度と前記期待酸素ポンプ電流との間の関係を与える表における、前記期待酸素ポンプ電流を特定するステップとを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 排気ガスの前記特性が、空燃比（ラムダ）の計算値、及び、排気ガス流量の利用可能値を有し、該利用可能値は、酸素及びＮＯｘ濃度、パイプの体積、ガス圧、ガス温度、湿度、エンジン速度、燃料量、圧力変動の一つ以上を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 内燃エンジン又は該エンジンの排気ガス後処理システムにおけるセンサの酸素ポンプ・セルを制御するシステムにおいて、
   −前記ポンプ・セル内の電流をフィード・バック制御するためのフィード・バック制御回路（４４）と、
   −エンジン運転データから計算される排気ガスの特性を基に、期待酸素ポンプ電流を推定するためのフィード・フォワード制御推定回路（４７）と、
   を備えることを特徴とするシステム。
5. 前記フィード・フォワード制御推定回路（４７）が、
   −前記排気ガスの前記特性を基に、シリンダからセンサへのガス流の移送時間遅延を推定する回路（６２）と、
   −前記移送時間遅延を基に、空燃比（ラムダ）パラメータと酸素濃度との間の関係、及び、該酸素濃度と前記期待酸素ポンプ電流との間の関係を与える表における前記期待酸素ポンプ電流を特定する回路（６３、６４）と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 排気ガスの前記特性が、空燃比（ラムダ）の計算値、及び、排気ガス流量の利用可能値を有し、該利用可能値は、酸素及びＮＯｘ濃度、パイプの体積、ガス圧、ガス温度、湿度、エンジン速度、燃料量、圧力変動の一つ以上を含むことを特徴とする、請求項４又は５に記載のシステム。
   
7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の全てのステップを実行するよう適合されたコンピュータ・プログラム・コード手段を備えるコンピュータ・プログラムであって、前記プログラムは、コンピュータ上で実行されることを特徴とするプログラム。
8. 自身に記録されるプログラムを有するコンピュータ読取り可能な記録媒体であって、前記コンピュータ読取り可能な記録媒体は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の全てのステップを実行するよう適合されたコンピュータ・プログラム・コード手段を備え、前記プログラムは、コンピュータ上で実行されることを特徴とする、コンピュータ読取り可能な記録媒体。