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技術 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

出願人 エフピーティモトーレンフォアシュンクアクチェンゲゼルシャフト
発明者 アウケンツアラー・セオフィル
出願日 2010年12月22日 (8年9ヶ月経過) 出願番号 2012-545317
公開日 2013年5月9日 (6年4ヶ月経過) 公開番号 2013-515894
状態 特許登録済
技術分野 内燃機関の複合的制御 濃淡電池(酸素濃度の測定) 電気化学的な材料の調査、分析
主要キーワード 入力測定値 測定キャビティ 電気化学ポンプ 固体電解質センサ センサ反応 測定ブロック 相関パラメータ 処理帯域
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この項目の情報は公開日時点(2013年5月9日)のものです。
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図面 (7)

課題・解決手段

内燃エンジン又は該エンジン排気ガス後処理システムにおけるセンサ酸素ポンプセルを制御するための方法が開示されており、該方法は、前記ポンプ・セル内の電流フィードバック制御に、更なるフィード・フォワード制御パスを加えるステップを備え、該制御パスは、エンジンの運転データから計算される排気ガス組成の特性を基に、期待されるポンプ電流推定する。

概要

背景

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ループに依存している。エンジン過渡運転の間、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運転され、そのような変動は、燃料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。

概要

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が開示されており、該方法は、前記ポンプ・セル内の電流のフィード・バック制御に、更なるフィード・フォワード制御パスを加えるステップを備え、該制御パスは、エンジンの運転データから計算される排気ガスの組成の特性を基に、期待されるポンプ電流を推定する。

目的

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

効果

実績

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請求項1

内燃エンジン又は該エンジン排気ガス後処理システムにおけるセンサ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推定することを特徴とする方法。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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。

請求項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に記載の方法。

請求項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。

請求項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。

技術分野

0001

本発明は、内燃エンジン又は該エンジン排気ガス後処理システム内におけるセンサ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。

背景技術

0002

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。

0003

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。

0004

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。

0005

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。

0006

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。

0007

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運転され、そのような変動は、燃料遮断された局面でのみ生じる。

0008

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。

発明が解決しようとする課題

0009

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。

課題を解決するための手段

0010

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。

0011

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推定するために、エンジン運転データから計算される。

0012

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。

0013

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。

0014

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。

図面の簡単な説明

0015

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。

実施例

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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、H2、HC等)も存在しない条件に対応する。

0021

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、N2、H2O、CO2等だけが存在する)であり;λ<1(H2、CO、HC等が過剰)では、出力電圧が増加し;λ>1(O2、NOx等が過剰)では、出力電圧が減少する。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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。

0026

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,7thedition,ISBN978−0−470−51936−3で見ることができる。

0027

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)。

0028

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酸素分子流は、酸素イオン電流に等しい。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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

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