JP6101340B2 - ガスセンサを監視する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のガスセンサを監視する方法に関するものであり、ガスセンサはジオメトリー、測定原理、経年劣化、または汚れに依存してローパス挙動を有しており、検出されるべきガス状態量においてモデル化された信号と測定された信号との比較と診断が実行され、測定された信号はガスセンサの出力信号の実際値であり、モデル化された信号はモデル値である。

さらに本発明は、本方法を実施する装置に関する。

ガソリンエンジンを備える乗用車でエミッションを削減するために、通常、三元触媒装置が排ガス清浄化設備として利用されるが、このような三元触媒装置が十分に排ガスを変換するのは、空燃比λが高い精度で調整される場合に限られる。この目的のために、排ガス清浄化設備に前置された排ガスプローブによって、空燃比λが測定される。このような種類の排ガス清浄化設備の酸素の吸蔵能力は、リーン段階で酸素を受容してリッチ段階で再び放出するために活用される。それにより、排ガスの酸化可能な有害ガス成分を変換できるようにすることが実現される。排ガス清浄化設備に後置された排ガスプローブが、排ガス清浄化設備の酸素吸蔵能力を監視する役目を果たす。酸素吸蔵能力は、排ガス清浄化設備の変換能力を表す目安となるので、オンボード診断（ＯＢＤ）の枠内で監視されなくてはならない。酸素吸蔵能力を判定するために、排ガス清浄化設備がまずリーン段階で酸素により満たされ、引き続き、排ガス中の既知のラムダ値を有するリッチ段階で、通過する排ガス量を考慮したうえで空にされるか、または、排ガス清浄化設備がまずリッチ段階で酸素を空にされ、引き続き、排ガス中の既知のラムダ値を有するリーン段階で、通過する排ガス量を考慮したうえで充填される。リーン段階が終了するのは、排ガス清浄化設備に後置された排ガスプローブが、排ガス清浄化設備によってもはや吸蔵することができない酸素を検知したときである。同様にリッチ段階が終了するのは、排ガスプローブがリッチな排ガスの通過を検知したときである。排ガス清浄化設備の酸素吸蔵能力は、リッチ段階中に空にするために供給される還元剤の量に相当しており、ないしは、リーン段階中に充填のために供給される酸素の量に相当している。厳密な量は、前置されている排ガスプローブの信号と、別のセンサ信号から判定される排ガス質量流量とから算出される。

たとえば汚れや経年劣化に基づき、前置されている排ガスプローブのダイナミックが低下すると、空燃比を所要の精度で調整することができなくなり、そのために、排ガス清浄化設備の変換能力が低下する。さらに、排ガス清浄化設備の診断では誤差が生じる可能性があり、このような誤差は、それ自体として正しく作動している排ガス清浄化設備が、誤って機能性がないと判定されるという帰結につながる可能性がある。立法者は、走行動作中のプローブ特性の診断を要求しており、これは、求められる空燃比を引き続き十分に正確に調整することができ、エミッションが許容される限界値を上回ることがなく、排ガス清浄化設備が正しく監視されることを確保するためである。ＯＢＤＩＩ規定は、ラムダプローブやその他の排ガスプローブがその電気的な機能有用性に関して監視されるだけでなく、その反応挙動に関しても監視されることを要求しており、すなわち、増大する時間定数および／またはむだ時間によって感知できるようになるプローブダイナミックの劣化が認識されなければならない。排ガス組成の変化とその認識との間のむだ時間や遅延時間は、それがユーザー機能のために、すなわちプローブ信号を利用する制御機能、コントロール機能、監視機能のために、なおも許容されるか否かに関して、オンボード式にチェックされなければならない。排ガスセンサのダイナミック特性を表す特性量として、典型的な場合、混合気の変化から信号エッジまでのむだ時間が適用され、および、たとえば信号ストロークの０％から６３％まで、あるいは３０％から６０％までの特定の立上り時間が適用される。むだ時間は、エンジン吐出部からプローブまでのガス進行時間も含んでおり、したがって、特にセンサ取付位置が操作されたときに変化する。

ディーゼルエンジンでは、ガスセンサまたはガス濃度センサとして広帯域ラムダプローブが用いられ、および、ＳＣＲ触媒装置との関連ではＮＯ_ｘセンサも用いられる。後者は追加として同じくＯ_２信号を供給する。広帯域ラムダプローブやＮＯ_ｘセンサからのＯ_２信号は、ディーゼルエンジンの場合、排ガス後処理装置を作動させるために利用されるだけでなく、内燃機関のエミッション削減にも利用される。排ガス中の測定されたＯ_２濃度、ないし測定されたラムダ信号は、空気・燃料混合気をダイナミックに正確に調整し、そのようにして未処理エミッションの分散を最低限に抑えるために利用される。ＮＯ_ｘ吸蔵触媒装置（ＮＳＣ）を備えるディーゼルエンジンでは、再生のためのリッチ動作を高い信頼度で表現するために、触媒装置の前と後で広帯域ラムダプローブがそれぞれ必要である。内燃機関のエミッション削減およびＮＳＣ動作は、同じくＯ_２プローブのダイナミック特性に関して特定の最低要求事項を課すものである。Ｏ_２信号の立上り時間は、現在、負荷から惰行への移行時に監視されており、すなわち、空気の通常のＯ_２含有率を下回る特定のパーセンテージから２１％まで上昇したときに監視されている。センサ信号が最大時間後に特定の中間値にいちども達しないとき、このことは、むだ時間誤差として解釈される。ＮＯ_ｘ吸蔵触媒装置（ＮＳＣ）を備えるディーゼルエンジンでは、そのほか、触媒装置の前後におけるラムダプローブの反応挙動が比較されるのが普通である。

次の車両世代ないしモデル年度については、Ｏ_２濃度が低下するときのセンサダイナミックの監視も要求されるものと予想される。さらに、ハイブリッド車両では惰行段階がもはや与えられず、したがって２１％の一定のＯ_２濃度を有する段階も与えられない。このような追加要求に対する最初の取り組みは、特許文献１における能動的な監視ならびに特許文献２におけるオブザーバベースの手法である。

特許文献２より、広帯域ラムダプローブのダイナミック特性を監視する方法が公知となっており、この場合、広帯域ラムダプローブにより、内燃機関の排ガス中の酸素濃度に相当する測定されたラムダ信号が判定され、内燃機関には、モデル化されたラムダ信号を入力量から生成するオブザーバが付属しており、モデル化されたラムダ信号と測定されたラムダ信号との差異から、または、モデル化されたラムダ信号から導き出される信号と測定されたラムダ信号から導き出される信号との差異から、オブザーバでモデルに前置されているコントローラの入力量としての見積り誤差信号が形成される。このとき、むだ時間と反応時間により特徴づけられる広帯域ラムダプローブのダイナミック特性を表す目安が、見積り誤差信号もしくはこれから導き出される量の評価から決定され、ダイナミック特性を表す目安が所定の限界値と比較されて、広帯域ラムダプローブのダイナミック特性が、内燃機関の意図される動作のためにどの程度まで十分であるかを判断することが意図される。

さらに特許文献３には、ＬＳＵダイナミックモデルのオンラインアダプションをする方法および装置が記載されている。具体的には、同文献が対象とするのは、内燃機関の排ガス通路の構成要素であり、空気・燃料組成をコントロールするためのラムダ値が判定される、排ガスプローブのダイナミックモデルを順応化する方法および装置であり、内燃機関の制御装置ないし診断装置ではこれと並行してシミュレーションされたラムダ値が算定され、シミュレーションされたラムダ値と測定されたラムダ値とが両方ともユーザー機能によって利用される。このとき、車両動作の進行中にシステムが励起されたときの信号変化を評価することで排ガスプローブの飛躍的挙動が判定され、この結果をもとにして排ガスプローブのダイナミックモデルが順応化されることが意図される。

このときセンサ特性を識別するために、広帯域ラムダプローブのダイナミック監視のための既知の関数が援用される。排ガスセンサのその他のガス濃度信号については、たとえばＮＯ_ｘ信号については、Ｏ_２信号ないしＯ_２センサについてと同等の要求事項が適用される。したがって、それぞれの監視関数の間には類似性を想定することができる。

特許文献１に記載の方法は能動的な監視である。この監視は、燃料消費量とエミッションを両方とも高めるテスト噴射による励起を含んでいる。特許文献２に記載の方法は、受動的に作動するものではあるが、いわゆるオブザーバを前提条件とするものであり、その適用には高いコストがかかる。さらに、これら両方の方法は、一義的には、比較的大きいむだ時間変化の認識を目指している。

まだ公開されていない出願人の社内番号Ｒ．３３９８９２の出願には、たとえば排ガス監視・低減システムの一部として内燃機関の排ガス通路に排ガスプローブとして配置されている、あるいは内燃機関の供給空気案内部にガス濃度センサとして配置されている、内燃機関のガスセンサのダイナミック監視をする別の方法ならびに当該方法を実施する装置が記載されており、ガスセンサはジオメトリー、測定原理、経年劣化、または汚れに依存してローパス挙動を有しており、検出されるべきガス状態量が変化したときにモデル化された信号と測定された信号との比較に基づいてダイナミック診断が実行され、測定された信号はガスセンサの出力信号の実際値であり、モデル化された信号はモデル値である。この場合、ガスセンサの出力信号がハイパスフィルタによってフィルタリングされ、ガス濃度などの測定されるべきガス状態量が変化したときに、高周波信号成分が評価されることが意図される。このとき変化は内燃機関の励起によって行われる。この方法により、ガスセンサにおけるダイナミックに関わる変化を検証して定量化することができる。本発明の意味におけるガスセンサとは、ガスの状態を測定することができる、ないしは変化を検知することができるセンサである。ガスの状態は、ガスの温度、ガス圧、ガス質量流量、および／または特定のガス成分の濃度、たとえば酸素含有率やＮＯ_Ｘ含有率によって表されていてよい。ガスセンサは、特にその構造のジオメトリーに依存して決まる典型的なローパス挙動を有している。さらにこのような種類のセンサは、経年劣化や外的要因（たとえばディーゼルエンジンにおける煤付着）に基づき、反応挙動が変化することがある。

このようなダイナミック診断の手法は、内燃機関の空気・排ガスシステムでセンサのフィルタ・時間定数を監視し、ないしは識別するために、原則として適している。そのためにこの機能は、センサ信号の信号エネルギーとモデルベースの参照信号の信号エネルギーとを、比較的高い周波数の領域で比較する。しかしながら基本的に低速であるが電気的に振動するプローブは、Ｒ．３３９８９２に記載の監視原理によっては、誤ってダイナミックに関して適正であると認識されることがある。このようなケースが想定できるのは、たとえば排ガスプローブが著しく煤で汚れているとき、あるいはケーブルハーネスで電磁障害が入力結合されたとき、あるいは評価回路が電気的なエラーを有しているとき（二重エラー）である。

ドイツ特許出願公開第１０２００８００１１２１Ａ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００８０４０７３７Ａ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００８００１５６９Ａ１号明細書

したがって、振動認識ないし電気的な外乱量の認識を追加的に可能にする、ガスセンサに対するダイナミック監視の拡張を提供するという課題がある。

さらに本発明の課題は、この方法を実施するための相応の装置を提供することにある。

方法に関わる課題は、内燃機関の定常動作のときにガスセンサの出力信号がハイパスフィルタでフィルタリングされ、相応に前処理されたモデル値との比較により高周波信号成分が評価されることによって解決される。すなわち、定常動作中におけるハイパスフィルタリングの後の比較的高い信号エネルギーの発生は、外乱ないし外乱量の入力結合を示唆している可能性があり、それは、同時にこの定常動作のときにモデル値について同じくハイパスフィルタリングされた信号エネルギーが、比較的低い値をとっているときである。したがってこの方法により、電気的に振動するガスセンサないし外乱量の入力結合もしくはエラーを評価回路で認識することができ、それによってダイナミック診断時の誤解釈を最低限に抑えることができる。

雑音信号、外乱信号、および有効信号の間で区別をできるようにするためには、定常認識が必要である。測定されるべきガス状態量の変化速度が判定されれば、それを基にして内燃機関の定常動作を検知することができる。定常動作は、測定されるべきガス状態量についてわずかな変化速度しか有しておらず、ないしは変化速度をほぼ有していないからである。このことは、測定されるべき物理量のモデルと、別のハイパスフィルタとを用いて行うことができる。ガスの状態は、ガスの温度、ガス圧、ガス質量流量、および／または特定のガス成分の濃度、たとえば酸素含有率やＮＯ_Ｘ含有率によって表されていてよい。たとえばＯ_２センサの場合であれば、空気と燃料の質量をＯ_２濃度に換算し、機能性のある排ガスセンサに相当するローパスフィルタでこれを遅延させれば足りる。その場合、このローパスフィルタは、実際の排ガスプローブと同じハイパスフィルタと直列につながれている。そして、定常段階における両方のハイパス出力を比較することで、振動するセンサすなわち電気的な不具合を推定することができる。

１つの好ましい方法態様は、ガスセンサの高周波信号成分のエネルギーまたは出力、およびガスセンサのモデルに基づく相応にハイパスフィルタリングされた出力信号のエネルギーまたは出力が、エネルギーまたは出力についての閾値と比較され、この比較を参照してガスセンサの電気的な不具合の存在が推定され、または振動の発生が推定されることを意図している。

この場合、ガスセンサの高周波信号成分のエネルギーまたは出力についての上側の閾値を上回っており、それと同時に、モデルから決定されるモデル化された信号の高周波信号成分のエネルギーまたは出力についての下側の閾値を下回っているとき、電気的に振動するガスセンサが推定されることが意図されていてよい。それに応じて、ハイパスフィルタリングされた、ガスセンサについての信号エネルギーΦ_Ｓとモデル化された信号についての信号エネルギーΦ_Ｍとの評価にあたっては次のことが成り立つ：モデル経路のエネルギーΦ_Ｍが下側の閾値Φ_{ｕｎｔｅｎ}よりも低く、それと同時にセンサ経路のエネルギーΦ_Ｓが上側の閾値Φ_ｏｂｅｎよりも大きいとき、このことは、エンジン動作点がほぼ一定であり、それにもかかわらずセンサ信号が大幅に変動していると解釈することができる。このケースでは、振動するセンサを推定することができる。

このとき、モデルに保存されているモデル時間定数Ｔ_Ｍが定格ガスセンサの時間定数に相当しており、および／または当該時間定数と閾値がガス状態量に依存して順応化されると好ましい。たとえば排ガスプローブのようなガスセンサのダイナミックを表す特性量は、通常、排ガス質量流量、排ガス容積流量、または排ガス速度に依存して決まる。したがって、モデル時間定数Ｔ_Ｍならびに閾値をこのような排ガスの状態量に依存して追従させるのが好都合である。

１つの好ましい方法態様では、センサ信号およびモデル化された信号の高周波信号成分の積分が事象制御式に開始され、または内燃機関の定常動作が認識されたときに開始され、時間制御式または事象制御式に、すなわち固定的な積分時間Ｔの後に終了し、または動作点の変化が認識されたときに終了する。純粋な時間制御では、積分時間Ｔ内に動作点の変化が生じたときには、場合により結果を破棄せざるを得ない。

事象制御のケースでは、ガスセンサについての信号エネルギーΦ_Ｓおよびモデル化された信号についての信号エネルギーΦ_Ｍは、最新の積分時間Ｔ_{ａｋｔｕｅｌｌ}に強く依存する。したがって１つの方法態様では、事象制御のケースでは、典型的な積分時間Ｔ_ｎｏｒｍとは相違する最新の積分時間Ｔ_{ａｋｔｕｅｌｌ}に依存して、閾値を適合化することが意図される。このことは、たとえば閾値Φ_{ｕｎｔｅｎ}およびΦ_ｏｂｅｎが典型的な積分時間Ｔ_ｎｏｒｍについて適用され、次式
Φ_{ｕｎｔｅｎ，ａｋｔｕｅｌｌ} ＝ Φ_{ｕｎｔｅｎ，ｎｏｒｍ}（Ｔ_{ａｋｔｕｅｌｌ}／Ｔ_ｎｏｒｍ） （１ａ）
Φ_{ｏｂｅｎ，ａｋｔｕｅｌｌ} ＝ Φ_{ｏｂｅｎ，ｎｏｒｍ}（Ｔ_{ａｋｔｕｅｌｌ}／Ｔ_ｎｏｒｍ） （１ｂ）
に従って最新の積分時間Ｔ_{ａｋｔｕｅｌｌ}に合わせて適合化されることによって行うことができる。

別案の方法態様は、信号エネルギーΦ_ＭないしΦ_Ｓを比較するのではなく、センサ信号およびモデル化された信号の高周波信号成分の平均の信号出力が評価され、適用可能な出力閾値との比較が行われることにある。それに応じて平均の信号出力は、Ｐ_Ｍ＝Φ_Ｍ／ＴおよびＰ_Ｓ＝Φ_Ｓ／Ｔに従って求められる。このケースでは、積分結果がそれぞれの積分時間Ｔによって除算される。そして閾値は、相応の出力閾値Ｐ_{ｕｎｔｅｎ}およびＰ_ｏｂｅｎで置き換えられる。このような方式は、閾値を実際の積分時間に合わせて適合化しなくてよいという利点がある。

診断の弁別性と信号対雑音比を改善するために、ハイパスフィルタリングのとき、ガスセンサの信号および／またはモデル化された信号が、特性曲線推移において非感受性ゾーンまたはデッドゾーンを低い入力量の領域に有するフィルタユニットないしフィルタ関数により追加的にフィルタリングされることが意図され、これらは特性曲線推移において飛躍を追加的に有することができる。それにより、特に雑音に基づいて発生することがある小さい信号量が抑圧される。ハイパスフィルタリングのときのこのような追加のフィルタユニットないしフィルタ関数の適用は、センサ経路で有意義であるばかりでなく、モデル経路でも有意義である。モデルは典型的な場合、同じく雑音が交じる可能性がある異なるセンサ信号を利用しているからである。潜在的な電気的な不具合が認識され、雑音よりも低い周波数を有しているときは、ソフトウェア・ローパスフィルタを非線形の前に信号経路で適用することもできる。

フィルタユニットないしフィルタ関数についての上記に呼応する態様では、このようなフィルタユニットの特性曲線推移が、高周波信号成分の信号出力を計算するために信号を平方する機能性とともにまとめられ、または、ハイパス信号出力の値が利用され、または値形成が、フィルタユニットの特性曲線における非感受性ゾーンまたはデッドゾーンとともにまとめられることが意図されていてよい。

本発明による監視方法は、ガス圧センサ、ガス温度センサ、ガス質量流量センサ、またはガス濃度センサとして、内燃機関の排ガス通路の排ガスプローブとして、排ガス監視・低減システムの一部として、または内燃機関の供給空気案内部で、たとえばインテークマニホルドで、ガス状態量ないし濃度を検出するために使用することができるガスセンサで特別に好ましく適用することができる。このようなエミッション関連のガスセンサは、冒頭に述べた要求事項に基づき、そのダイナミックと全般的な機能に関して監視されなければならない。その際に、許容されない振動の認識は、正しい診断結果との関わりで大きな意義がある。たとえばガス圧センサの反応挙動を監視して、たとえばインテークマニホルドへのガス圧センサの接続部が詰まったり折れたりしたときに、ダイナミックの低下を検知することができる。ガス温度センサやガス質量流量センサは、たとえば内燃機関の供給空気案内部の内部でホットフィルム・エアマスセンサとして施工されていてよく、汚れの結果としてダイナミック損失が記録されることがあり得る。

たとえば振動を引き起こす可能性がある外乱信号の入力結合を、本方法によって認識することができる。このようなセンサの信号について適当なモデルを記述することができれば、本発明による方法を、上でその方法態様に関して説明したように、好ましく適用することができる。

ガスセンサとしては、特に、ガス混合気中の酸素含有率を決定することができる、広帯域ラムダプローブ（ＬＳＵプローブ）またはＮＯ_Ｘセンサの形態の排ガスプローブが考慮の対象となる。広帯域ラムダプローブまたは連続式のラムダプローブとして施工された排ガスプローブについては、診断をするために、測定された酸素濃度がモデル化された酸素濃度と、上に説明した方法態様に準じて比較されるのが好ましい。別案として、このような比較のためにラムダ値の逆数を利用することができる。それは酸素濃度に近似的に比例しているからである。同様に、酸素濃度と比例する電気量、すなわちセンサないしこれに付属する回路における電圧または電流も適している。その場合、比較のために援用されるモデル信号を相応に換算しなければならない。窒素酸化物センサについては、実際値として窒素酸化物センサの出力信号が評価され、モデル値はモデル化されたＮＯ_Ｘ値から決定される。したがってこのような監視は、排ガス浄化設備が触媒装置および／または窒素酸化物還元装置を有しているガソリンエンジンやリーンエンジンで特別に好ましく適用することができる。このとき発生する振動は、排ガス浄化設備の動作に関して、特別にネガティブな帰結を有していることがある。排ガス浄化設備の後に取り付けられているガスセンサでは、関心の対象であるガス濃度に及ぼされる排ガス浄化の影響をモデルで考慮しなければならない。別案として、関心の対象であるガス濃度に排ガス浄化が影響を及ぼさない段階でのみ診断を実行することも考えられる。

以上に説明した各態様を含む本方法のさらに別の用途は、一般に、時間定数ならびに場合によりむだ時間を有する一次フィルタによってプロセスを近似することができ、低速化したセンサの挙動をフィルタ時間定数の増加によって表現することができる、少なくとも１つのセンサを有するプロセスで意図されていてよい。原則としてその場合にも、センサの反応挙動の判定に関して上に説明した利点がもたらされる。さらに、このようなプロセスをそのコントロール挙動に関して改善することができ、それは、そのコントローラが変化した時間定数に合わせて適合化されることによる。

１つの好ましい方法態様で意図されるように、上に説明した監視方法の機能性が、測定されるべきガス状態量が変化したときに高周波信号成分の評価がダイナミック診断のために実行される、ガスセンサのダイナミック診断をする方法と組み合わされると、ダイナミック診断方法のロバスト性を明らかに向上させることができる。冒頭に述べたような外乱信号の入力結合による誤解釈を、ほぼ回避することができるからである。追加のアプリケーションコストは、このケースでは比較的少ない。ダイナミック診断の側で、すでに主要なすべての機能要素が設けられており、監視機能がこれを援用することができるからである。このときダイナミック診断は、測定されるべきガス状態量の変化を含んでいる動作段階で行うことができ、監視はシステムの振動に応じて、または生じる可能性のある電気的な不具合に応じて、定常段階で行うことができる。考えられるダイナミック診断方法としては、冒頭に述べたまだ公開されていない文献Ｒ．３３９８９２に記載の方法が好適である。

装置に関わる課題は、本発明による方法を実施するために、高周波信号成分を評価するためのハイパスフィルタ、ならびにガスセンサの少なくとも１つのモデル、および計算ユニット、および追加のフィルタユニットないしフィルタ関数を上に説明した各態様を含む方法に基づく監視を実行するために有する、監視ユニットが設けられていることによって解決される。監視ユニットは、上位のエンジン制御部に統合された構成要素であってよい。本方法の機能性は、少なくとも部分的にソフトウェアベースでこれにインプリメントされていてよい。

次に、図面に示されている実施例を参照しながら、本発明について詳しく説明する。図面は次のものを示している：

本発明による方法を適用することができる技術的環境を示す模式図である。 妥当性検査を基礎として振動ないし入力結合される電気的な外乱量を検知するために援用することができる信号エネルギーの比較を含む、ダイナミック診断回路のブロック図である。 図３ａおよび３ｂは、飛躍のない（図３ａ）、および飛躍のある（図３ｂ）非感受性領域を有するフィルタユニットを含む、ダイナミック診断回路の構成要素としてのハイパスフィルタである。 図４ａおよび４ｂは、飛躍のない非感受性領域の２つの代替的な実施形態である。 図５ａおよび５ｂは、飛躍のある非感受性領域の２つの代替的な実施形態である。 平均の信号出力の比較を含む、図２の代替となるダイナミック診断回路のブロック図である。

図１は、排ガスプローブ１５を診断する本発明の方法を適用することができる技術的環境を、ガソリンエンジンを例にとって模式的に示している。内燃機関１０に空気が空気供給部１１を介して供給され、その質量が空気質量計１２によって判定される。空気質量計１２はホットフィルム・エアマスメータとして施工されていてよい。内燃機関１０の排ガスは排ガス通路１８を介して運び出され、排ガスの流動方向で見て内燃機関１０の後に、排ガス清浄化設備１６が設けられている。排ガス清浄化設備１６は、通常、少なくとも１つの触媒装置を含んでいる。

内燃機関１０を制御するためにエンジン制御部１４が設けられており、このエンジン制御部は、一方では燃料調量部１３を介して内燃機関１０に燃料を供給し、他方では、空気質量計１２および排ガス通路１８に配置された排ガスプローブ１５または排ガス導管１８に配置された排ガスプローブ１７の信号の供給を受ける。排ガスプローブ１５は、図示した例では、内燃機関１０に供給される燃料・空気・混合気のラムダ実際値を判定する。この排ガスプローブは、広帯域ラムダプローブまたは連続式のラムダプローブとして製作されていてよい。排ガスプローブ１７は、排ガス清浄化設備１６の後の排ガス組成を判定する。排ガスプローブ１７は、ジャンププローブまたはバイナリープローブとして構成されていてよい。

排ガスプローブ１５の改善されたダイナミック監視に関して、内燃機関１０の負荷変化が生じたとき、排ガスプローブ１５の濃度変化の高周波成分がまだ認識されているかどうかを検査するために、ハイパスフィルタとローパスフィルタが利用されることが意図されていてよい。このような種類のガスセンサは、特にその保護パイプのジオメトリーに依存して決まる典型的なローパス挙動を有している。さらにディーゼルエンジンでは、このような保護パイプに煤が付着することがあり、そのためにセンサの帯域幅が減少する。時間の範囲内では、低下する限界周波数は立上り時間の増加として表れ、すなわち、励起が変化しなければ信号エッジの角度が低くなる。したがって、プローブと適当なハイパスフィルタを直列につなげば、急激な負荷変化が生じたときにハイパスの出力信号を見れば、ローパスの限界周波数がハイパスの限界周波数よりも高いか低いかを認識することができる。このような高周波信号エネルギーを評価することで、文献Ｒ．３３９８９２に記載されているように、センサのダイナミックを推定することができる。

排ガスプローブ１５の信号エネルギーが、定常動作のときのハイパスフィルタリングの後に妥当でない高い値をとっているときには、電気的な振動または外乱信号の入力結合をさらに推定することができる。妥当性検査のための基準として、Ｒ．３３９８９２に記載されているように、モデルを援用することができる。

本発明は、Ｒ．３３９８９２から知られるフィルタ構造を利用して、定常的なエンジン動作段階のとき、本来存在してはならないはずの高周波成分をセンサ信号に探索するものである。排ガスプローブ１５と適当なハイパスフィルタを直列につなげば、測定信号の直流成分と低周波成分が抑圧される。それに応じて定常的なエンジン動作のときには、測定雑音だけがハイパスフィルタの出力に寄与することが許される。

図２は、Ｒ．３３９８９２に記載されているダイナミック監視の基本構造をブロック図２０として示している。上側部分には、排ガスプローブ１５で測定される酸素濃度２１の経路が図示されている。実際のガス進行時間や、むだ時間Ｔ_ｔないしプローブ時間定数Ｔ_Ｓを有する１次ローパスフィルタによって表すことができるプローブ遅延２２の結果として、実際の酸素濃度２１から酸素プローブ信号２２．１が生じる。プローブ・ガス進行時間２２の伝達関数は次式によって得られ、ここでＫ_Ｓはプローブの増幅係数を表している：
Ｇ（ｊω）＝Ｋ_Ｓｅｘｐ（−Ｔ_ｔｊω）／（Ｔ_Ｓｊω＋１） （２）

Ｋ_Ｓは、通常、製造のばらつきや経年劣化により引き起こされる、プローブの乗算誤差またはピッチ誤差に相当している。ただし、酸素濃度がプローブ信号として利用されるのではなく、これに比例する量が利用されるとき、Ｋ_Ｓは、プローブ信号を酸素濃度に換算するための相応の変換係数であり、次元が付随している場合もある。次いで、酸素プローブ信号２２．１がハイパス２３によりフィルタリングされて乗算器２４により平方され、このことは、信号出力に相当する信号をもたらす。次いで、この信号が積分器２５により積分され、その結果、測定された酸素含有率の高周波エネルギー成分の信号エネルギー２５．１が得られる。これに後置された評価ユニット２６で、モデルで決定された値についての相応に前処理された信号との比較に基づいて、診断のために利用することができるステータス値２６．１が求められる。

たとえばケーブルハーネスへの入力結合の帰結として、あるいは評価回路の電気的な不具合によって、図２に示すように、電気的な外乱量３４がセンサ経路に入力結合されることがある。センサのローパス挙動は、当然ながら外乱量のスペクトルには影響を及ぼさない。それに応じて、たとえばセンサの煤付着などもセンサ経路の干渉感受性には影響を及ぼさない。

ハイパス２３は、もっとも単純な場合には１次ハイパスとして設計されていてよく、その伝達関数は次式
Ｇ（ｊω）＝Ｔ_Ｆｊω／（Ｔ_Ｆｊω＋１） （３）
によって記述することができ、ここでＴ_Ｆはフィルタの限界周波数である。排ガスプローブ１５の限界周波数がハイパス２３の限界周波数Ｔ_Ｆを上回ると、直列回路はバンドパスのように振るまい、すなわち、排ガスプローブ１５の入力スペクトルの高い周波数はまだ通過され、出力スペクトルで検知することができる。それに対して、ダイナミック損失の結果として、排ガスプローブ１５の限界周波数がハイパス２３の限界周波数Ｔ_Ｆを下回ると、直列回路は全部の周波数を遮断し、その結果、出力スペクトルではいかなる周波数成分も測定することができなくなる。

原則として、本発明は一次ハイパスフィルタだけに限定されるものではない。むしろ、これ以外の任意のハイパスフィルタも適用することができる。ローパスフィルタが排ガスプローブ１５そのものを含めて別様にパラメータ化されているとき、たとえば時間定数に代えて限界周波数によりパラメータ化されているとき、あるいは高い次数を有しているときも、同様に監視方式を適用可能である。

Ｒ．３３９８９２に記載された方法により、低速の排ガスプローブ１５と不十分な励起との間で区別をできるようにするために、排ガス組成の変化速度が判定されなければならず、このことは、たとえば広帯域ラムダプローブのケースでは、空気や燃料の質量変化を参照して行うことができる。このことは、フィルタの類似の直列回路によって行うことができる。広帯域ラムダプローブの場合、そのために前述した質量をＯ_２濃度に換算し、機能性のある排ガスセンサに相当するローパスフィルタによって遅延させるだけでよい。そしてこのようなローパスフィルタを、実際のプローブと同じ伝達関数を有するハイパスと直列に接続することができる。そして、これら両方のハイパス出力を比較することで、実際のセンサの機能有用性を推定することができる。これ以外のガス成分の場合、追加の未処理エミッションモデルを使用することが必要になることがある。

モデル式に決定されるエネルギー値の前処理は、図２のブロック図２０の下側部分に示されている。空気質量２７ｍ_Ｌおよび燃料調量部１３についての目標燃料質量２８ｍ_Ｋから、化学量論上の修正の後に除算ユニット２９で商が形成されて、ラムダ値が算定される。燃料質量２８は、運転者が設定して燃料の量に換算されるトルク希望から得ることができる。換算ユニット３０で、ラムダ値から計算上の酸素含有率３０．１が算定される。モデル３１に基づき、次の伝達関数
Ｇ（ｊω）＝ｅｘｐ（−Ｔ_ｔＭｊω）／（Ｔ_Ｍｊω＋１） （４）
により、モデル化された酸素含有率３１．１が算出され、ここでＴ_ｔＭはモデルむだ時間であり、Ｔ_Ｍはモデル時間定数である。

次いで、モデル化された酸素含有率３１．１が、もっとも単純なケースでは伝達関数が１次ハイパスの伝達関数に相当している別のハイパス２３によりフィルタリングされ、別の乗算器２４により平方され、このことは、信号出力に相当する信号をもたらす。次いで、この信号が別の積分器２５により積分され、その結果、モデル化された酸素含有率の高周波エネルギー成分についての信号エネルギー２５．１が得られる。

ハイパス２３は直流成分と低周波成分とを抑圧するので、そのつどのＯ_２信号２２．１，３１．１の高周波成分だけが寄与をもたらす。すなわち定常動作のとき、雑音を度外視すれば、センサ信号についてのハイパス出力信号Ｙ_Ｓおよびモデル信号についてのハイパス出力信号Ｙ_Ｍの双方は消えるべきである。それに応じて両方の信号エネルギー２５．１も、

定常動作のときには非常に低い値をとるべきであり、ここでＴは積分時間を表している。

そして、評価ユニット２６で両方の信号エネルギー２５．１を比較することで、排ガスプローブ１５の電気的な不具合を推定することができる。モデル経路のエネルギーΦ_Ｍが下側の限界値Φ_{ｕｎｔｅｎ}よりも小さく、それと同時に、センサ経路のエネルギーΦ_Ｓが上側の閾値Φ_ｏｂｅｎよりも大きいとき、このことは、エンジン動作点がほぼ一定であり、それにもかかわらずセンサ信号が大きく変動していると解釈することができ、このことは、電気的に振動する排ガスプローブ１５を示唆している。これをまとめると次式が成り立つ：
Φ_Ｍ＜Φ_{ｕｎｔｅｎ}かつΦ_Ｓ＞Φ_ｏｂｅｎ → センサが振動

診断の弁別性を向上させるために、雑音フィルタリングのために通常行われるように、いわゆる非感受性ゾーンまたはデッドゾーンを利用することが推奨される。これは適用可能な領域でその入力量の小さい値を抑圧する。このような非感受性ゾーンは、たとえば図３ａ，３ｂ，４ａ、４ｂならびに５ａおよび５ｂに示すような追加のフィルタユニット３２，３３ないし特性曲線をもつフィルタ関数によって具体化することができ、この特性曲線は飛躍を有することもできる（それぞれのフィルタユニット３３）。

図３ａはセンサ経路を部分的に示している。酸素プローブ信号２２．１はハイパス２３によりフィルタリングされ、このハイパスは飛躍のない非感受性領域（むだ領域）を含むフィルタユニット３２を有している。こうしてフィルタリングされた信号が、引き続いて乗算器２４により平方されて積分器２５により積分され、その結果、信号エネルギー２５．１が出力側で得られる。特性曲線を見るとわかるとおり、その際にゼロ点周辺の小さい信号量は抑圧される。

図３ｂは、飛躍を含む非感受性領域を有しているフィルタユニット３３が利用される、図３ａの別案となる構造を示しており、このことは弁別性をさらに向上させる。

非感受性ゾーンまたはデッドゾーンは、平方とともに１つの特性曲線にまとめられていてよい。同様に、ハイパス出力信号の値を利用することもでき、また、値形成もデッドゾーンとともに１つの特性曲線にまとめられていてよい。このような態様は図４ａ，４ｂならびに５ａおよび５ｂに示されている。

図４ａは、特性曲線が放物線として設計された、飛躍のない非感受性領域（デッドゾーン）を含むフィルタユニット３２を示しており、それにより、乗算器２４を省略することができる。フィルタユニット３２の放物線状の伝達関数は、すでに出力側で平方された信号を生成するからである。

図４ｂは、値形成がデッドゾーンとともに１つの特性曲線にまとめられた、飛躍のない非感受性領域（デッドゾーン）を含むフィルタユニット３２を示している。

図５ａと図５ｂは、フィルタユニット３３の特性曲線が非感受性領域に飛躍を有している、図４ａと図４ｂの別案の構造をそれぞれ示している。

図６は、図２に示す構造とは異なり、積分器２５がそれぞれ結果を積分時間Ｔで除算し、そのようにして、Ｐ_ＳおよびＰ_Ｍについての平均の信号出力２５．２を比較のために利用することができる相応の構造を示している。そして、この比較は次式に従って行われる。
Ｐ_Ｍ＜Ｐ_{ｕｎｔｅｎ}かつＰ_Ｓ＞Ｐ_ｏｂｅｎ → センサが振動

このような種類の出力比較は、当然のことながら、上に挙げた図３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂならびに５ａおよび５ｂのどの非感受性領域とも組み合わせることが可能である。

特に排ガス関連のセンサで該当する可能性がある、ガスセンサの振動認識が必要であるガソリン内燃機関でもディーゼル内燃機関でも適用が考えられる。このような監視機能は独立して適用することができ、または、たとえばＲ．３３９８９２に記載されているように、ダイナミック診断機能と組み合わせることができる。

１０ 内燃機関
１１ 供給空気案内部／空気供給部
１５ 排ガスプローブ
１８ 排ガス通路
２２ プローブ遅延
２３ ハイパスフィルタ
２４ 乗算器
２５ 積分器
２６ 評価ユニット
２９ 除算ユニット
３０ 換算ユニット
３１ モデル
３２ フィルタユニット
３３ フィルタユニット

Claims (11)

1. 内燃機関（１０）のガスセンサの特性を監視する方法であって、前記ガスセンサは、周波数特性がローパス特性の出力信号を出力し、検出されるべきガス状態量において、前記出力信号の推定結果であるモデル信号と前記出力信号との比較に基づいて、前記ガスセンサの特性が監視される、そのような方法において、前記内燃機関（１０）の定常動作のときに、前記出力信号の高周波成分のエネルギーが、前記出力信号の処理過程でハイパスフィルタ処理と平方処理と積分処理とがその順に施されることで取得され、前記モデル信号の高周波成分のエネルギーが、前記モデル信号の処理過程でハイパスフィルタ処理と平方処理と積分処理とがその順に施されることで取得され、前記出力信号の高周波成分のエネルギーと前記モデル信号の高周波成分のエネルギーとの比較により高周波信号成分が評価されることで、前記ガスセンサの特性が監視される
   ことを特徴とする方法。
2. 測定されるべきガス状態量の変化速度が判定され、それに基づいて前記内燃機関（１０）の定常動作が検知される
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスセンサの出力信号の高周波成分のエネルギー、および前記ガスセンサのモデル信号の高周波成分のエネルギーが、閾値と比較され、この比較を参照して前記ガスセンサの電気的な不具合の存在が推定され、またはセンサ信号の振動の発生が推定される
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ガスセンサの出力信号の高周波成分のエネルギーが上側の閾値を上回っており、それと同時に、前記モデル信号の高周波成分のエネルギーが下側の閾値を下回っているとき、電気的に振動する前記ガスセンサが推定される
   ことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. モデル（３１）に保存されているモデル時間定数ＴＭが定格ガスセンサの時間定数に相当しており、および／または当該時間定数と閾値がガス状態量に依存する
   ことを特徴とする、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記積分処理での積分が、固定的な積分時間Ｔｎｏｒｍの経過後に終了する場合に、前記下側の閾値（Φunten, norm）および前記上側の閾値（Φoben, norm）が使用され、
   前記積分処理での積分が、前記積分時間Ｔｎｏｒｍとは相違する積分時間Ｔａｋｔｕｅｌｌの経過後に終了する場合に、前記下側の閾値（Φunten, norm）とは相違する下側の閾値（Φunten, aktuell）および前記上側の閾値（Φoben, norm）とは相違する上側の閾値（Φoben, aktuell）が使用され、
   Φunten, aktuellおよびΦoben, aktuellは、
   Φunten, aktuell ＝ Φunten, norm（Ｔaktuell／Ｔnorm）
   Φoben, aktuell ＝ Φoben, norm（Ｔaktuell／Ｔnorm）
   と表される
   ことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 前記ガスセンサの出力信号および前記モデル信号の高周波成分のエネルギーとして、積分時間で除算されたエネルギーが取得され、該エネルギーと閾値（Ｐunten、Ｐoben）との比較が行われ、この比較を参照して前記ガスセンサの電気的な不具合の存在が推定され、またはセンサ信号の振動の発生が推定される
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
8. 前記平方処理では、前記ハイパスフィルタ処理が施された、前記ガスセンサの出力信号および／またはモデル信号に、特性曲線推移において非感受性ゾーンまたはデッドゾーンを雑音が交じる可能性のある低い入力量の領域に有するフィルタユニット（３２，３３）ないしフィルタ関数により追加的にフィルタリングが施されたものの平方が取得される
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. ガスセンサとしてのガス圧センサ、ガス温度センサ、ガス質量流量センサ、またはガス濃度センサが、前記内燃機関（１０）の排ガス通路（１８）の排ガスプローブ（１５）として、排ガス監視・低減システムの一部として、または前記内燃機関（１０）の供給空気案内部（１１）で使用される
   ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. ガスセンサとして、ガス混合気中の酸素含有率を決定することができる広帯域ラムダプローブまたはＮＯｘセンサの形態の排ガスプローブ（１５）が使用される
    ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法を実施するための監視ユニットを有している、
    ことを特徴とする装置。

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