JP5931201B2 - ラムダ閉ループ制御器の制御動作補正を行うための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラムダ閉ループ制御器の制御経路を補正するための方法であって、ラムダ閉ループ制御器がインプット側で排気ガス測定プローブに接続されており、測定プローブ構造、サンプルのばらつき、可変な測定プローブ温度または劣化の連続で変化するダイナミックス特性および／またはむだ時間特性を考慮して、ラムダ閉ループ制御器の制御特性を相応に適応させる方法に関する。

本発明はさらに、本発明による方法を実施するための装置に関する。

法律的な規制によれば、内燃機関の排気ガスの組成を監視して限界値を遵守することが定められている。このために、制御された３元触媒によって、排気ガス中の不都合な物質、例えば窒素酸化物および一酸化炭素が、問題がないとみなされる物質例えば水蒸気、二酸化炭素、窒素に還元される。この還元は、内燃機関に供給された空気燃料混合気が、理論混合気に関して所定の組成範囲内にあることを前提とする。これは、パラメータλ＝１で表わされる。空気燃料混合気の組成は、内燃機関の排気ガス通路内に設けられた、例えば広帯域Ｏ２センサとして形成された、酸素部分圧を規定する排気ガスセンサにより監視される。排気ガスセンサの正しい機能および特にその劣化防止も、排気ガスセンサの電子回路に著しく依存している。このような回路の機能ブロックは例えば特許文献１に記載されている。

この際に、特別な意味がラムダ閉ループ制御に与えられ、市販されている排気ガス測定プローブは、応答ダイナミックスおよびむだ時間に関して様々な特性を有していてよい。

排気ガス測定プローブが特に様々な供給業者によって取り付けられる場合、安定的な制御を保証するために、例えばバルブタイミング制御装置に取り付けられたラムダ閉ループ制御器において追加的な電子回路を補う必要がある。これに対して、自動車メーカーは、すべての測定プローブのための統一された制御装置ハードウエアを要求する。

背景技術によれば、適応制御動作も使用される、様々な制御器プログラムが公知である。

特許文献２には、例えば目標値／実際値比較の分析によって制御特性の切換えが可能である制御システムが記載されている。この場合、好適な実施例は、様々な制御器動作間の切換えを行う。この制御システムは、特にラムダ閉ループ制御において使用され、発生した妨害作用を制御器動作の適当な切換えによって良好に補正することができる。

特許文献３によれば、排気ガス測定プローブのダイナミックス診断と関連したＯ２センサのダイナミックス特性の補正について記載されており、この場合、ラムダ閉ループ制御への適応可能なフィードバックが設けられている。特に制御経路のダイナミックス特性の補正を可能にする、制御経路のモデルが設けられているブロックＢＬ１が記載されている。経路特性のこのような補正から、Ｏ２センサの遅延時間の変化を推論することができる。

特許文献４は、内燃機関の排ガス通路の構成部分である排気ガス測定プローブのダイナミックスモデルを適応させるための方法および装置に関するものであり、この排気ガス測定プローブによって、空気燃料組成を制御するためのラムダ値が決定され、この際に、これと並行して内燃機関の制御装置若しくは診断装置内においてシミュレートされたラムダ値が算出され、ユーザー機能によってシミュレートされたラムダ値もまた測定されたラムダ値も使用される。この場合、本発明によれば、車両運転中にシステム作動時の信号変化を評価することによって、排気ガス測定プローブのジャンプ特性が規定され、その結果によって、排気ガス測定プローブのダイナミックスモデルが補正されるようになっている。本発明は、排気ガス測定プローブの実際の応答特性を算出して、算出されたラムダ値のモデルパラメータを修正し、それによって、ユーザー機能の観点から見て有意義とみなされる限りは、測定されかつモデル形成されたラムダ値の適合性を改善するために用いられる。このために、ジャンプ応答の結果が収集され、所定の基準に従ってカテゴリーに分類される。この場合、主要な基準は排気ガス質量流量であってよい。何故ならば、排気ガス測定プローブの応答特性およびガス移動時間は、主に排気ガス質量流量に基づくからである。

ユニバーサルなユーザーが使用できるようにするために、種々異なる形式で取り付けられた排気ガス測定プローブに適応させる点については、上記文献には開示されていない。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２００６０６１５６５号明細書 ドイツ連邦共和国特許公開第３７２７３６９号明細書 ドイツ連邦共和国特許公開第１９８４４９９４号明細書 ドイツ連邦共和国特許公開第１０２００８００１５６９号明細書

そこで本発明の課題は、ユニバーサルなユーザーが使用することができ、それによって種々異なる形式で取り付けられた排気ガス測定プローブに適応させることができる、制御経路を補正するための方法を提供することである。

本発明のその他の課題は、この方法を実施するための相応の装置を提供することである。

方法に関する上記課題は、純粋なソフトウエア適応によってラムダ閉ループ制御器の制御特性を、様々な排気ガス測定プローブの構造およびそのダイナミック特性に適応させることによって解決される。

装置に関する上記課題は、ラムダ閉ループ制御器がデジタルＰＩＤ制御器として構成されていて、純粋なソフトウエア適応によって、ラムダ閉ループ制御器の制御特性が様々な排ガス測定プローブの構造およびダイナミックス特性に適応可能であり、この場合、ラムダ閉ループ制御器が、本発明の方法およびその変化例を実施するための装置を有している。

本発明の方法およびこの方法を実施するための装置によれば、市販されている排気ガス測定プローブを１つの同じ制御器ハードウエアによって駆動することができる。排気ガス測定プローブの様々なダイナミックス特性は、種々異なる形式の適応可能なフィードバックによってシミュレートされる。これは特に、規格化されたハードウエアプラットフォームを考慮して、内燃機関のためのバルブタイミング制御装置において、ひいては費用に関して有利である。しかも、運転中に、ソフトウエア適応によって、必要に応じて安定した手段を講じることができる。

好適な方法変化例によれば、ラムダ閉ループ制御器としてデジタル式のＰＩＤ制御器を使用し、制御器のアウトプット信号をフィードバックして、インプット差分信号に加算し、この際に、すべての制御器アウトプットまたは制御器の制御器特性の一部に、予め規定可能な増幅ファクターを乗算し、フィードバックするようになっている。このような手段によって、例えば所定の排気ガス測定プローブにおいてその構造形式に基づいて発生する不安定性が補正され、相応に修正される。この場合、排気ガス測定プローブにおける追加回路若しくは排気ガス測定プローブとラムダ閉ループ制御器との間の追加回路、例えばＲＣ素子は省くことができる。安定化された作用は、デジタル式のＰＩＤ制御器によって完全にシミュレートされ得る。このような形式のＲＣ素子の省略と共に、さらに漏れ電流発生の原因となり得るスイッチオフ装置も省くことができる。このようなスイッチオフ装置は、そうでなければ、ラムダ閉ループ制御器において種々異なる排気ガス測定プローブを駆動させるために必要となる。しかも、調整時における排気ガス測定プローブの内部抵抗測定への干渉および／または排気ガス測定プローブの基準ポンプ電流への干渉は避けられる。

この場合、制御器特性の一部として、ＰＩ部分、ＰＤ部分、ＤＩ部分、Ｐ部分、Ｉ部分またはＤ部分がフィードバックされる。制御器特性のどの部分がフィードバックされるかは、接続されたプローブ型式に基づいている。この場合、シミュレーションは、それぞれのプローブ型式のために最適なフィードバック例の決定を補助することができる。従って、例えば長いむだ時間を有する測定プローブを使用した場合、このような形式の排気ガス測定プローブのためのＤ部分と連動してＰ部分のフィードバックが、制御器安定性のための最適な結果を生ぜしめることが突き止められた。その他の特性を有するその他の測定プローブのためには、このようなフィードバックは完全に中止されるかまたはほんの一部だけが使用される。これによって、制御経路は市販されているほぼすべての排気ガス測定プローブ型式にまさに安価に適応させることができ、これは、自動車メーカーにおいても修理専門店においても、高い適応性に関して好適である。

好適な方法変化例によれば、１より小さい適用可能なファクターを有する、デジタル式のＰＩＤ制御器のアウトプット信号がフィードバックされ、該フィードバックがデジタル式のＰＩＤ制御器の次のタイムステップにおいて考慮される。これは、ラムダ閉ループ制御に特に有利に作用する。

所定の排気ガス測定プローブによる適応において、このような形式の測定プローブの制御経路のガス移動むだ時間に起因する安定化問題が生じる。このような問題は、排気ガス測定プローブの基準電極（ＲＥ）とＡＰＥ電極との間の高域フィルタとして構成されたハードウエア対策、並びに高いＤ部分によって解消される。勿論この場合、評価は干渉を受けやすい。従って、好適な方法変化例によれば、排気ガス測定プローブとして、ネルンストセルおよびポンプセルを備えた広帯域Ｏ２センサが使用され、この場合、ガス移動時間に基づくむだ時間が直接的な電気式のフィードバックによって補正され、このフィードバックが、ポンプセルにおけるポンプ電流変化を直接的かつ比例的に積分して基準電極に伝達するようになっている。これによって、ポンプ電流制御が安定化され、このために追加的な回路またはＤ部分を必要とすることはない。

この方法の好適な使用法によれば、その変化例に記載されているように、内燃機関のラムダ閉ループ制御の構成部分としてのデジタル式のＰＩＤ制御器として構成されたラムダ評価ＡＳＩＣにおいて制御経路補正のために使用される。このような形式のラムダ評価ＡＳＩＣは、種々異なる排気ガス測定プローブが接続される例えば“ＣＪ１３５ Ｌａｍｂｄａ Ｐｒｏｂｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ＩＣ（ＣＪ１３５ラムダプローブインターフェースＩＣ）”として本特許出願人により公知であり、一般的に上位のバルブタイミング制御装置の構成部分であってよい。追加的な回路は、前記方法を使用した場合、車両製造時に様々な排気ガス測定プローブが様々な製造業者により取りつけられる場合、不要である。

フィードバックされた部分を有するデジタル制御経路を示す概略図である。

本発明を以下に、図面に示した実施例を用いて詳しく説明する。

図１は、ラムダ閉ループ制御器１の一部を示す。このラムダ閉ループ制御器１に排気ガス測定プローブが接続される。このような形式のラムダ閉ループ制御器１は、例えば「ＣＪ１３５Ｌａｍｂｄａ Ｐｒｏｂｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ＩＣ（ＣＪ１３５ラムダプローブインターフェースＩＣ）」として公知である。この公知のラムダ閉ループ制御器１はＰＩＤ制御器１０を有しており、このＰＩＤ制御器１０は、その制御経路内に、比例部分のためのＰ制御系１４と、積分部分のためのＩ制御系１５と、微分部分のためのＤ制御系１６とを有しており、これらの制御系は、アウトプット側で加算器１７によって統合されて、アウトプット信号１８として提供される。

本発明によれば、例えば図１に示されているように、ＰＩＤ制御器１０のＰ部分のフィードバック１９がインプット値１１に接続され、この際に、ＰＩＤ制御器１０のＰ部分が、増幅ユニット２０内で通常は１より小さい適用可能なファクターで乗算され、積分器２１によって積分され、減算器１３によってインプット値１１から差し引かれる。

上記機能性は、特に好適にはラムダ閉ループ制御器１内における純粋なソフトウエア処理として実行されている。

典型的な応用は、以下の使用例に記載されている。所定の供給業者による排気ガス測定プローブは、通常はＰＩＤデジタル制御器、例えば上述のＣＪ１３５モジュールにおいて、追加的なＲＣ回路を用いてのみ安定的に駆動される。これに対して、その他の排気ガス測定プローブ、特に本出願人による排気ガス測定プローブは、このような高域フィルタ（Ｈｏｃｈｐａｓｓ）を必要としない。他方では、本出願人による排気ガス測定プローブは、このような高域フィルタによって駆動することができない。何故ならば、これによって内部抵抗測定が許容できない程度に悪影響を受けるからである。自動車メーカーによって、すべての測定プローブのために統一された制御器ハードウエアが要求されるので、高域フィルタは、スイッチオフ装置を備えていなければならない。これは、上述したような別の欠点を伴う。制御経路の安定化された作用が再現される本発明の手段によって、追加的な電気回路がなくても、上記排気ガス測定プローブはＣＪ１３５モジュールにおいて駆動することができる。制御装置を測定プローブ型式に適応させることは、純粋なソフトウエア適応によって可能である。

１ ラムダ閉ループ制御器
１０ ＰＩＤ制御器
１１ インプット値
１３ 減算器
１４ Ｐ制御系
１５ Ｉ制御系
１６ Ｄ制御系
１７ 加算器
１８ アウトプット信号
１９ フィードバック
２０ 増幅ユニット
２１ 積分器

Claims (6)

1. ラムダ閉ループ制御器（１）の制御動作を補正するための方法であって、前記ラムダ閉ループ制御器（１）がインプット側で排気ガス測定プローブに接続されており、測定プローブ構造、サンプルのばらつき、可変な測定プローブ温度または劣化の連続で変化するダイナミックス特性および／またはむだ時間特性を考慮して、ラムダ閉ループ制御器（１）の制御特性を相応に適応させる方法において、
   ラムダ閉ループ制御器（１）の制御特性を、様々な排気ガス測定プローブの構造およびそのダイナミックス特性に適応させるために、前記ラムダ閉ループ制御器（１）としてデジタル式のＰＩＤ制御器（１０）を使用し、制御器のアウトプット信号（１８）をフィードバックして、インプット差分信号に加算し、すべての制御器アウトプットまたは制御器の制御器特性の一部に、予め規定可能な増幅ファクターを乗算し、フィードバックする、
   ことを特徴とする、ラムダ閉ループ制御器（１）の制御動作を補正するための方法。
2. 制御器特性の一部として、ＰＩ部分、ＰＤ部分、ＤＩ部分、Ｐ部分、Ｉ部分またはＤ部分をフィードバックする、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. １より小さい適用可能なファクターを有する、デジタル式のＰＩＤ制御器（１０）のアウトプット信号をフィードバックし、該フィードバック（１９）を前記デジタル式のＰＩＤ制御器（１０）の次のタイムステップにおいて考慮する、
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 排気ガス測定プローブとして、ネルンストセルおよびポンプセルを備えた広帯域Ｏ２センサを使用し、この際に、ガス移動時間に基づくむだ時間を直接的な電気式のフィードバック（１９）によって補正し、該フィードバック（１９）が、前記ポンプセルにおけるポンプ電流変化を直接的かつ比例的に積分して基準電極に伝達する、
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 内燃機関のラムダ閉ループ制御の構成部分としてのデジタル式のＰＩＤ制御器（１０）として構成されたラムダ評価ＡＳＩＣにおける制御動作補正のために使用する、
   ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法の使用法。
6. ラムダ閉ループ制御器（１）の制御動作を補正するための装置であって、前記ラムダ閉ループ制御器（１）がインプット側で排気ガス測定プローブに接続されており、測定プローブ構造、サンプルのばらつき、可変な測定プローブ温度または劣化の連続で変化するダイナミックス特性および／またはむだ時間特性を考慮して、ラムダ閉ループ制御器（１）の制御特性が相応に適応させられる形式のものにおいて、
   前記ラムダ閉ループ制御器（１）がデジタルＰＩＤ制御器（１０）として構成されていて、前記ラムダ閉ループ制御器（１）が、前記ラムダ閉ループ制御器（１）の制御特性を、様々な排ガス測定プローブの構造およびダイナミックス特性に適応させるために、制御器のアウトプット信号（１８）をフィードバックして、インプット差分信号に加算し、すべての制御器アウトプットまたは制御器の制御器特性の一部に、予め規定可能な増幅ファクターを乗算し、フィードバックする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置を有している、
   ことを特徴とする、ラムダ閉ループ制御器（１）の制御動作を補正するための装置。

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