JP4335531B2 - 信号を監視する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、信号を監視するための方法及び装置に関する。
【０００２】
ますます厳しくなる排出限界値を順守できるようにするために、例えばディーゼル内燃機関においては粒子フィルタが使用されることが公知である。粒子フィルタにはエンジン動作中に粒子が蓄積される。粒子フィルタに堆積された大量の粒子は背圧を高め、またこの粒子量を１つの差圧センサまたは２つの絶対圧センサを用いて測定することができる。所定の差圧閾値を上回った場合には、粒子フィルタが再生される。
【０００３】
エンジン動作中に粒子の堆積物、硫酸塩及び錆の堆積物及び／又はシステムにおける非気密性に基づいて、圧力測定の際に誤測定が生じる可能性がある。これによって、粒子フィルタの体積状態はもはや確実に識別されない場合が発生する可能性がある。このことは一方では粒子フィルタの必要な再生が実施されない又は過度に遅く実施されることになり、他方では再生が過度に頻繁に実施されることになる可能性がある。これは排ガス後処理システムの破損及び／又は燃費の上昇に繋がる可能性がある。
【０００４】
本発明によれば、センサ信号において生じた振動に基づいて、信号検出の領域における誤り及び／又はシステムの領域における誤りを確実に識別できることが分かった。例えばこの構成は、排ガスシステムないし排ガス後処理システムにおける信号を検出するセンサに適している。このセンサは例えば圧力センサ、温度センサ及び／又は排ガス組成物を表す信号を供給するセンサである。そのようなセンサは例えばラムダセンサ、ＮＯＸセンサまたはＨＣセンサである。
【０００５】
例えば、信号の振動振幅を表す量が許容範囲外にある場合には誤りが識別される。本発明によれば、特定の信号は排出弁の開放及び閉鎖によって惹起される脈動を有することが分かった。誤りの無いシステムによってこれらの脈動は弱められる。脈動が過度に大きい振幅を有する場合には、このことは脈動の減衰を弱める誤りを示唆する。このことは例えばフィルタが故障した事に起因している可能性がある。脈動が過度に小さい振幅を有する場合には、脈動がより一層減衰する誤りを示唆する。このことは例えば排ガス管における堆積物に起因する可能性がある。本発明によれば、信号が過度に大きい又は過度に小さい脈動を有する場合に誤りが識別される。
【０００６】
信号の振動振幅を表す量が閾値よりも小さい場合には、信号の大きな減衰を生じさせる誤りが存在する。このことは例えばセンサへの管路における堆積物に起因する可能性がある。
【０００７】
閾値が内燃機関及び／又は排ガス後処理システムの動作状態に依存して設定できる場合には殊に有利である。これによって異なる動作状態においては、異なる強さの脈動が生じるということを考慮することができる。
【０００８】
信号の振動振幅を表す量が有利には、信号と平均信号との差に基づいて検出される。例えばこの際に、信号と平均信号との差の平均絶対値が量として使用される。
【０００９】
圧力差の時間的な特性及び排ガス質量流量を表す排ガス質量流量の量の時間的な特性に基づいて、誤りが識別される場合には殊に有利である。つまり差圧センサへの管路の遮断及び／又は閉塞のような種々の誤りを確実に識別することができる。
【００１０】
そのような誤りは有利には、圧力差の変化及び排ガス質量流量を表す量の変化が妥当しない値をとる場合に識別される。
【００１１】
排ガス質量流量の変化が小さいときに圧力差が過度に大きく変化する場合には、センサへの管路のすす汚れないし閉塞が識別される。例えばこの誤りは、排ガス質量流量の上昇が小さい際に圧力差が閾値以上に上昇する場合には、この誤りが識別される。
【００１２】
さらにこの誤りは、排ガス質量流量が大きく変化したときに圧力差が僅かにしか変化しなかった場合に識別される。この誤りは有利には、排ガス質量流量が閾値よりも明らかに減少したときに圧力差が僅かにしか変化しなかった場合、すなわち圧力差の変化の絶対値が閾値よりも小さい場合に識別される。
【００１３】
例えば管路の遮断は、第１の期間にわたり過度に小さい圧力差が存在する場合に識別される。これは圧力差の絶対値が閾値よりも小さいことを意味する。
【００１４】
さらには、排ガス質量流量が大きく減少する際に第２の期間にわたり過度に小さい差圧が存在する場合には誤りが識別される。このことは、短時間差圧が過度に小さい値をとり、それと同時に排ガス質量流量が閾値以上に降下した場合を意味する。
【００１５】
本発明の有利且つ好適な構成及び実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１６】
図面
本発明を以下図面に図示した実施形態に基づき説明する。ここで図１は、排ガス後処理システムのブロック図を示す。図２は誤り識別のための評価方法のフローチャートである。
【００１７】
実施例の説明
図１には、内燃機関における排ガス後処理システムの重要な素子が図示されている。内燃機関は参照記号１００で示されている。この内燃機関１００には、吸気管１０５を介して外気が供給される。内燃機関１００の排ガスは排気管１１０を介して外部に達する。排気管内には排ガス後処理システム１１５が配置されている。この排ガス後処理システム１１５は触媒及び／又は粒子フィルタとすることができる。さらには、種々の有害物質用の複数の触媒又は少なくとも１つの触媒と少なくとも１つの粒子フィルタとを組み合わせたものを使用することも可能である。
【００１８】
さらに制御ユニット１７０が設けられており、この制御ユニット１７０は少なくとも１つのエンジン制御ユニット１７５及び少なくとも１つの排ガス後処理制御ユニット１７２を含む。エンジン制御ユニット１７５は燃料調量システム１８０に制御信号を印加する。排ガス後処理制御ユニット１７２は、エンジン制御ユニット１７５及び構成によっては調整素子１８２に制御信号を印加する。この調整素子１８２は、排ガス後処理システムの上流側の排気管内又は排ガス後処理システム内に配置されている。
【００１９】
さらに種々のセンサを設けることが可能であり、これらのセンサは排ガス後処理制御ユニット及びエンジン制御ユニットに信号を供給する。すなわち少なくとも１つの第１のセンサ１９４が設けられており、この第１のセンサ１９４は内燃機関に供給される外気の状態を表す信号を供給する。第２のセンサ１７７は、燃料調量システム１８０の状態を表す信号を供給する。少なくとも１つの第３のセンサ１９１は、排ガス後処理システムの上流側の排ガスの状態を表す信号を供給する。少なくとも１つの第４のセンサ１９３は、排ガス後処理システム１１５の状態を表す信号を供給する。
【００２０】
排ガス後処理システムにおいては、フィルタの上流側と下流側に２つの圧力検出部が取り付けられており、この圧力検出部は管路１１５ａ及び１１５ｂを介して差圧センサ１９２と接続されている。圧力差は１つの差圧センサまたは２つの絶対圧センサを用いて測定される。このセンサ１９２は排ガス後処理システムの下流側における排ガスの状態を表す信号を供給する。
【００２１】
さらには、温度値及び／又は圧力値を検出する別のセンサを使用することができる。さらに、排ガス及び／又は外気の化学的組成物を特徴付けるセンサも使用することができる。これらのセンサは例えばラムダセンサ、ＮＯＸセンサ又はＨＣセンサである。
【００２２】
第１のセンサ１９４、第３のセンサ１９１、第４のセンサ１９３及び第５のセンサ１９２の出力信号が、有利には排ガス後処理制御ユニット１７２に印加される。第２のセンサ１７７の出力信号は、有利にはエンジン制御ユニット１７５に印加される。ドライバの要望または別の環境状態又はエンジン動作状態に関する信号を特徴付ける、図示していない別のセンサも設けることができる。
【００２３】
エンジン制御ユニット及び排ガス後処理制御ユニットが１つの構造的なユニットを形成する場合には殊に有利である。しかしながら、これらを空間的に相互に分離されている２つの制御ユニットとして構成することも可能である。
【００２４】
以下では本発明の構成を、殊に直噴内燃機関において使用される粒子フィルタを例にして記述する。しかしながら本発明の構成はこの使用法に制限されるわけではなく、排ガス後処理システムを有する他の内燃機関にも使用することができる。例えば本発明の構成を、触媒と粒子フィルタが組み合わされている排ガス後処理システムに使用することができる。さらには、本発明の構成を１つの触媒のみが設けられているシステムに使用することができる。
【００２５】
存在するセンサ信号に基づいて、エンジン制御部１７５は燃料調量システム１８０に印加するための制御信号を計算する。この燃料調量システム１８０は、相応の燃料量を内燃機関１００に調量する。燃焼の際に排ガスには粒子が発生する可能性がある。これらの粒子は、排ガス後処理システム１１５における粒子フィルタによって受け取られる。動作している間に粒子フィルタ１１５には、相応の量の粒子が蓄積される。このことは粒子フィルタ及び／又は内燃機関の機能性を劣化させることになる。したがって所定の間隔おいて、ないし粒子フィルタが所定の堆積状態に達した場合には再生が開始される。この再生を特殊動作と称することもできる。
【００２６】
堆積状態は例えば種々のセンサ信号に基づいて識別される。つまり一方では、粒子フィルタ１１５の入口と出口との間の差圧を評価することができる。他方では、種々の温度値及び／又は種々の圧力値に基づいて堆積状態を算出することも可能である。さらには別の量を、堆積状態を算出又はシミュレーションするために使用することができる。相応の構成は例えば、DE 199 06 287から公知である。
【００２７】
排ガス後処理システムが粒子フィルタの所定の堆積状態への到達を識別した場合には、再生が開始される。粒子フィルタを再生するためには種々の手段を使用することができる。つまり一方では、排ガス後処理システム１１５において相応の反応を引き起こす所定の物質を、調整素子１８２を介して排ガスに供給することができる。この付加的に調量される物質は、例えば温度上昇及び／又は粒子フィルタにおける粒子の酸化を生じさせる。つまり例えば、調整素子１８２を用いて燃料及び／又は酸化剤を供給することができる。
【００２８】
通常の場合、堆積状態は種々の量に基づいて検出される。閾値と比較することによって種々の状態が識別され、識別された堆積状態に依存して再生が実行される。
【００２９】
そのような排ガス後処理システムでは、例えば排ガス後処理システムの領域におけるセンサによって検出される種々の信号に振動が生じる。この振動は脈動とも称される。これらの脈動は、個々のシリンダの排出弁の開放及び／又は閉鎖の際に排ガスの圧力変化によって惹起される。これらの脈動はクランクシャフト周波数と相関関係にある。排気管１１０とセンサとの間の圧力管における堆積によって脈動の振幅が減衰される。
【００３０】
本発明によれば、信号、例えば圧力信号の振動の減衰から管路の状態を推量できることがわかった。有利には管路の堆積物及び非気密性を識別することができる。センサの領域またはセンサへの管路における誤りの他に、排ガスシステム、例えば排ガス後処理システム１１５及び排気管１１０の領域における誤りも識別することができる。
【００３１】
以下では本発明による構成を差圧センサ１９２を例にして記述する。ここで本発明の構成はこの使用法に制限されるわけではなく、排ガス後処理システム内ないし排ガス管内に配置されている他のセンサにも使用できる。
【００３２】
排ガス後処理システムには、フィルタの上流側と下流側に２つの圧力検出部が取り付けられており、この圧力検出部は管路１１５ａ及び１１５ｂを介して差圧センサ１９２と接続されている。圧力差は１つの差圧センサ又は２つの絶対圧センサを用いて測定される。脈動を検出するために、圧力信号が一定の時間パターンにおいてサンプリングされる。有利には信号は１ｍｓパターンでサンプリングされる。生信号ＲＳからはローパスフィルタを用いて時間的な平均値が形成され、この平均値は生信号ＲＳから減算される。これによって脈動の絶対的なレベルＡＨが検出される。引き続き絶対値の形成部及び新たなローパスフィルタを通過して、脈動レベルＭＨの時間的な平均値が検出される。この値は閾値Ｓと比較され、この閾値Ｓは有利には内燃機関の動作状態に依存して設定することができる。例えば閾値は回転数及び／又は内燃機関に噴射される燃料量に依存して設定される。この閾値を下回る場合には圧力管における誤りが推量される。
【００３３】
センサ１９２の信号ＰＲは一方では平均値形成部２００に供給され、他方では結合点２１０に供給される。結合点２１０の第２の入力側には、平均値形成部２００の出力信号が印加される。結合点２１０は絶対値形成部２２０に、信号ＰＲの脈動の絶対的なレベルを表す量ＡＨを印加する。絶対値形成部２２０の出力信号はローパスフィルタ２３０に印加され、このローパスフィルタ２３０は信号ＭＨを比較器２４０に供給する。比較器の第２の入力側には閾値設定部２３０の閾値Ｓが印加され、この閾値設定部には回転数Ｎ及び噴射される燃料量ＱＫのような種々の動作特性量が印加される。
【００３４】
結合点２１０は生信号ＰＲの平均値と生信号ＰＲの差を計算する。これによって脈動の絶対的なレベルが生じる。絶対値形成部２２０及びそれに続く平均値形成部によって、脈動の時間的な平均値ＭＨが生じる。この量は比較器２４０によって閾値Ｓと比較され、この閾値Ｓは種々の動作特性量に依存して設定することができる。
【００３５】
判定段２４０が、信号ＭＨは所定の領域内にあることを識別した場合には、信号は許容されるものとして識別され、制御部１７２によってさらに処理される。択一的に、動作点に依存する閾値を上回るか否かについて信号ＭＨを検査することもできる。つまり脈動が生じない場合には同様に誤りを識別することができる。このことは同様に故障を示唆する。脈動を表す信号ＭＨが閾値Ｓ１よりも小さく且つ閾値Ｓ２よりも大きい場合、すなわち信号がウィンドウ内にある場合にのみ許容信号が識別される場合には殊に有利である。
【００３６】
差圧センサへの管路の領域において発生する可能性のある誤りは、管路内に粒子が堆積していることによって生じている。このすす汚れによって圧力信号は劣化し、また堆積識別、したがって再生過程の制御が妨害される。これは比較的高いエミッション、排ガス後処理システム全体の機能低下並びに自動車の包括的故障に繋がる可能性がある。
【００３７】
エンジン動作中にすす汚れを早期に識別することによって、適切なやり方で誤りのある圧力信号に反応することができ、また相応の措置を講じることができる。例えば堆積状態を他の方法、例えばシミュレーションによって計算することもできる。
【００３８】
本発明によれば、差圧及び排ガス体積流量は例えば負荷変化及び／又はエンジン回転数変化の際のような、動作状態が変化する際に同様に変化することが分かった。差圧の時間的特性及び排ガス体積流量の時間的な特性が相互に顕著に偏差する場合には、システムに誤りが存在する。本発明によれば信号が微分され、これによって動的な特性が検出され、また相互に比較される。
【００３９】
体積流量勾配ＡＭが負の勾配限界値ＳＷＭＮｅｇよりも小さく、しかしながら圧力勾配ＡＤＰは対応する最小値ＳＷＤＰＮｅｇよりも大きい場合には誤りが識別される。同様に、体積流量勾配ＡＭが正の勾配ＳＷＭＰｏｓよりも大きく、且つ圧力勾配ＡＤＰが所定の値ＳＷＤＰＰｏｓよりも小さい場合には誤りが識別される。これらの場合では、間にバウンスの抑圧を介在した後に、また２つの入力信号の算出に必要とされるセンサのいずれも故障していないという条件のもとに、すす汚れ及び誤りのあるダイナミクスについての誤りが識別される。
【００４０】
相応の構成が図３に図示されている。第１のステップ３００では、差圧ＤＰの時間的な導関数に相応する差圧の勾配ＡＤＰが検出される。続いてステップ３１０においては、排ガス質量流量の変化ＡＭが同様に排ガス体積流量Ｍを微分することによって検出される。排ガス質量流量は制御ユニットにおいて量として存在する、ないし他の動作特性量から計算することができる。
【００４１】
第１の判定ステップ３２０は、排ガス質量流量の変化ＡＭが負の閾値ＳＷＭＮｅｇよりも小さいか否かを検査する。肯定の場合には判定ステップ３３０が、差圧の変化ＡＤＰは負の最小値ＳＷＤＰＮｅｇよりも大きいか否かを検査する。同様に肯定の場合には、ステップ３４０において誤りが識別される。このケースでは、排ガス質量流量が大幅に減少する場合に圧力差の減少が過度に少ないときに誤りが識別される。
【００４２】
判定ステップ３２０が質量流量の変化は閾値ＳＷＭＮｅｇよりも小さくないことを識別した場合には、判定ステップ３５０は質量流量の変化が正の閾値ＳＷＭＰｏｓよりも大きいか否かを検査する。肯定の場合には判定ステップ３６０は、差圧の変化ＡＤＰが正の閾値ＳＷＤＰＰｏｓよりも小さいか否かを検査する。肯定の場合にはステップ３４０において同様に誤りが識別される。
【００４３】
判定ステップ３５０及び３６０は、排ガス質量流量が大きく増加したときに圧力差が僅かにしか変化しない場合に誤りを識別する。
【００４４】
そうでない場合には、ステップ３７０において誤りのない状態が識別される、ないし別の図面に図示した方法が実行される。既に識別された誤りは、新たな検査において誤りの無いことが識別された場合に初めて解消される。
【００４５】
実施形態においては判定ステップ３２０及び３５０の順番を変えても実行することができる。如何なる順序で閾値ＳＷＭＰｏｓ及びＳＷＭＮｅｇが判定されるかは重要ではない。
【００４６】
以下説明する実施形態によって、種々の誤りを管路１１５ａないし１１５ｂの領域において識別することができる。通常の場合これらの管路はチューブ結合として実現されている。これらの管路は実際の動作時には外れる可能性があり、このことは誤りのある圧力信号を供給することになる。例えば管路１１５ａが粒子フィルタ手前の上流側において故障した場合には、堆積識別はもはや不可能である。管路の熱的及び機械的な応力によって、ホースが溶融したり折れたりする殊も考えられる。
【００４７】
例えば動作の安全性及び／又は法的規制に対する要求が大きいことを考慮すると、管路を専ら整備の領域において検査するだけでは十分ではない。本発明の構成によって、エンジン動作中に管路を検査し且つ圧力信号の信頼性を確認することができる。データは制御ユニット１７０に既に存在しているので、付加的なセンサが必要とされないということは殊に有利である。
【００４８】
本発明の構成によって、有利には２つのクリティカルな誤りの状態を識別できる。一方では、管路１１５ａに損傷が無いか否か、またセンサ１９２と排ガス管との間の結合が劣化していないか否かが検査される。他方では、接続１１５ａが閉塞していないか、折れていないか又はプラスチックチューブを使用する場合にはこのプラスチックチューブが高温のために溶融していないか否かが検査される。この場合圧力はここでは確かに発生するが、しかしながら排ガスシステムにおいて相応に圧力が降下した場合には減少しない又は遅延してしか減少しない。これらの２つの誤りは、堆積識別の機能性、したがって粒子フィルタの再生過程の制御に影響を及ぼす。
【００４９】
管路１１５ａのチューブの劣化によって、センサ１９２における顕著な圧力降下が生じる。本発明によれば、差圧が比較的長い期間にわたり最小値ＤＰＭＩＮよりも小さい場合には相応の誤りが識別される。最小値を短時間だけ下回る場合、同時に体積流量の増加が限界値を上回った場合に誤りが識別される。すなわち、体積流量が大幅に増加したときに差圧は最小値を下回る場合に誤りが識別される。この場合、管路１１５ｂにおける圧力が調整されていないことを意味する可能性がある。
【００５０】
相応の構成が図４に示されている。第１のステップ４００では、体積流量の変化ＡＭが微分によって計算される。続く判定ステップ４１０は、差圧ＤＰが最小値ＤＰＭＩＮよりも小さいか否かを検査する。否定の場合には、ステップ４２０においてシステムに誤りがないことが識別される。付加的にステップ４２０において、誤りに対するバウンスを抑圧するための方法を実施することもできる。
【００５１】
判定ステップ４１０が、差圧は最小値ＤＰＭＩＮよりも小さいことを識別すると、判定ステップ４３０は体積流量の変化ＡＭが閾値ＳＷＭよりも大きいか否かを検査する。否定の場合には判定ステップ４４０が、待ち時間Ｗ１を経過しているか否かを検査する。肯定の場合には、ステップ４５０において誤り２が識別される。殊に管路１１５ａに誤りがあることが識別される。例えば、結合管がセンサないし排気管から外れている場合には、そのような誤りが存在する。比較的長い時間Ｗ１にわたり過度に小さい差圧が存在する場合にはこの誤りが識別される。
【００５２】
判定ステップ４４０が待ち時間は未だ経過していないことを識別した場合には、新たにステップ４００が行われる。
【００５３】
判定ステップ４３０が、排ガス流量は大きく増加していることを識別した場合には、判定ステップ４６０は別の待ち時間Ｗ２を経過しているか否かを検査する。否定の場合には、新たにステップ４３０が行われる。待ち時間が経過している場合には、ステップ４７０において誤り１が識別される。この誤り１は管路１１５ａが閉塞していることを表す。この誤りは、排ガス質量流量が大きく上昇したことは過度に小さい差圧ＤＰに対する原因である場合に識別される。有利には待ち時間Ｗ２は待ち時間Ｗ１よりも大幅に短い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排ガス後処理システムのブロック回路図である。
【図２】 誤りを識別するための評価方法のブロック図である。
【図３】 本発明の方法のフローチャートである。
【図４】 本発明の方法のフローチャートである。

Claims (13)

1. 排ガス後処理システムにおける粒子フィルタ（１１５）の入口及び出口における圧力または排ガス後処理システムにおける粒子フィルタ（１１５）の入口と出口との間の圧力差を表す圧力信号（ＰＲ）を監視する方法において、
   前記圧力信号（ＰＲ）の時間的特性と排ガス質量流量または排ガス体積流量を表す量（Ｍ）の時間的特性とに基づいて制御ユニット（１７０）において誤りを識別することを特徴とする、圧力信号を監視する方法。
2. 信号の振動振幅を表す量が許容範囲外にある場合には誤りを識別する、請求項１記載の方法。
3. 信号の振動振幅を表す量が閾値よりも小さい場合には誤りを識別する、請求項２記載の方法。
4. 前記閾値を内燃機関及び／又は排ガス後処理システムの動作状態に依存して設定する、請求項３記載の方法。
5. 前記閾値を回転数及び／又は噴射される燃料量に依存して設定する、請求項４記載の方法。
6. 前記量を信号と平均信号との差に基づき検出する、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記信号と前記平均信号との差の平均絶対値を量として使用する、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 圧力信号の変化及び排ガス質量流量を表す排ガス質量流量の量の変化が妥当でない場合には誤りを識別する、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
9. 排ガス質量流量の量が変化する際、例えば僅かに増加する際に、圧力量が僅かにしか変化しない場合、例えば閾値よりも上昇しない場合には誤りを識別する、請求項８記載の方法。
10. 排ガス質量流量の量が変化する際、例えば減少する際に、圧力量が極僅かにしか変化しない場合、例えば閾値よりも下降しない場合には誤りを識別する、請求項８または９記載の方法。
11. 第１の期間にわたり過度に小さい圧力量が存在する場合には誤りを識別する、請求項８から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 排ガス流量が大きく減少する際に、第２の期間にわたり過度に小さい圧力量が存在する場合には誤りを識別する、請求項８または９記載の方法。
13. 排ガス後処理システムにおける粒子フィルタ（１１５）の入口及び出口における圧力または排ガス後処理システムにおける粒子フィルタ（１１５）の入口と出口との間の圧力差を表す圧力信号（ＰＲ）を監視する装置において、
    制御ユニット（１７０）が設けられており、該制御ユニット（１７０）は、前記圧力信号（ＰＲ）の時間的特性と排ガス質量流量または排ガス体積流量を表す量（Ｍ）の時間的特性とに基づいて誤りを識別することを特徴とする、圧力信号を監視する装置。

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