JP2004293553A - 内燃機関のための空気質量捕捉装置の少なくとも１つの特性曲線を生成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸気領域において脈動する空気流が生じても、空気質量捕捉装置により精確な結果を出せるようにする。
【解決手段】非線形の最適化手法を用いてダイナミックな特性曲線を生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のための空気質量捕捉装置の少なくとも１つの特性曲線を生成する方法に関する。

この種の方法は市場において知られている。この方法によれば、内燃機関の吸気領域における流動状態をシミュレートしようとする送風テスト台において、一方には空気質量捕捉装置が、他方には精密な参照センサが設置される。これら両方のセンサの信号が記録される。空気質量捕捉装置の出力信号と参照センサから求められた質量流とから特性曲線が形成され、この特性曲線により内燃機関における吸気領域のジオメトリおよびその働きが信号に及ぼす影響が考慮される。

内燃機関の通常動作中、空気質量捕捉装置の信号はたとえば内燃機関の負荷状態を求めるために用いられる。一般に空気質量捕捉装置として加熱フィルム型空気質量測定器が用いられ、これをＨＦＭセンサとも称する。

テスト台での実験において求められた特性曲線を「スタティックな」特性曲線とも称する。その理由は、この特性曲線はスタティックなつまり定常的な流動条件において作成されるからである。これは内燃機関の制御装置内に格納される。ただし問題は、多くの内燃機関では吸気領域における空気流が定常的ではなく脈動することである。このように脈動する空気流を適正に捕捉するのは、通常の空気質量捕捉装置では実際に使用したときにその原理に起因して難しく、したがって誤った指示が出されることになり、これは流れの脈動の周波数と振幅の関数である。

そして空気質量捕捉装置により求められた空気質量流が実際に内燃機関の燃焼室に入った質量流に相応しないと、たとえば内燃機関のエミッション特性が最適なエミッション特性から隔たってしまう可能性がある。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法において、空気流が脈動しても空気質量捕捉装置ができるかぎり精確な結果を出せるようにすることである。

この課題は冒頭で述べた形式の方法において、以下のステップを有する方法によりダイナミックな特性曲線を生成することにより解決される：
ａ）空気質量捕捉装置の未処理信号を取得するステップを有しており、内燃機関試験台上で種々の動作点において該空気質量捕捉装置に空気質量流を供給し、該空気質量捕捉装置により生成された信号を捕捉し、
ｂ）前記空気質量捕捉装置の未処理信号を、出力特性曲線に対する補間により空気質量流値に換算するステップと、
ｃ）個々の動作点に対し１つの脈動周期の整数倍にわたり該空気質量流値の平均値を形成するステップと、
ｄ）比較空気質量流からの平均空気質量流の偏差に相応する偏差を個々の動作点について計算するステップと、
ｅ）該偏差のマトリックスについて２乗ノルムを計算するステップと、
ｆ）２乗ノルムが最小化される条件に関して最適化されるよう整合された特性曲線を生成するステップと、
ｇ）前記空気質量捕捉装置の未処理信号を、整合された特性曲線に対する補間により空気質量流値に換算するステップと、
ｈ）前記ステップｇ），ｃ），ｄ），ｅ），ｆ）を繰り返して反復するステップ、
とを有している。

さらに上記の課題は冒頭で述べた形式の方法において、以下のステップを有する方法を用いてダイナミックな特性曲線を生成することにより解決される：
ａ）空気質量捕捉装置の未処理信号を取得するステップを有しており、内燃機関試験台上で種々の動作点において該空気質量捕捉装置に空気質量流を供給し、該空気質量捕捉装置により生成された信号を捕捉し、
ｂ）内燃機関の個々の動作点について少なくとも１つの完全な脈動周期にわたり前記未処理信号からヒストグラムを生成するステップと、
ｃ）出力特性曲線に対する補間により、等間隔の信号値を空気質量流値に換算するステップと、
ｄ）それぞれ各動作点について前記ヒストグラムを用いて空気質量流値の重み付けられた平均値を形成するステップと、
ｅ）比較空気質量流からの平均空気質量流の偏差に相応する偏差を計算するステップと、
ｆ）該偏差のマトリックスに関して２乗ノルムを計算するステップと、
ｇ）２乗ノルムが最小化される条件に関して最適化されるよう整合された特性曲線を生成するステップと、
ｈ）前記空気質量捕捉装置の未処理信号を、整合された特性曲線に対する補間により空気質量流値に換算するステップと、
ｉ）前記ステップｈ），ｄ），ｅ），ｆ），ｇ）を繰り返して反復するステップ、
とを有している。

本発明による方法により形成される整合されたダイナミックな特性曲線により、たとえば空気流の脈動が強いときでも、内燃機関の燃焼室に達する実際の空気質量流を空気質量捕捉装置の出力信号から求める際に高い精度が得られる。これにより最終的に、内燃機関の燃費特性およびエミッション特性を改善することができる。それというのも混合気制御をいっそう高い精度で行えるからである。

従来の一般的なスタティックな特性曲線とは異なる整合されたダイナミックな特性曲線によれば、内燃機関の吸気領域におけるダイナミックな流動特性がきわめて良好に考慮される。この目的で、実際の内燃機関試験台において種々の動作点（たとえば回転数および負荷、ここで負荷をたとえばトルクまたは燃焼室平均圧力によって表すことができる）で相応のデータが捕捉され記憶される。この場合、データ捕捉にあたり動作点の適切な選定によって、有利には内燃機関の動作領域全体がカバーされる。

さらにこのような修正された特性曲線は、空気質量捕捉装置の出力信号を処理する制御装置内の補正特性マップの存在とは無関係なものであり、したがってこの種の補正特性マップをまったくもたない制御装置においても本発明による方法を使用することができる。

試験台において複数の規則振動に関して平均値を形成できるようにする目的で、空気質量捕捉装置の信号が参照センサの信号と同じ時間窓で記録される。測定におけるこの高い時間分解能を劣化させてはならない。その理由は、さもないと重要なダイナミックな作用をもはや適正には捕捉できなくなってしまうからである。したがってさしあたり本発明によるこの方法の場合には大きいデータ量が生じる。

２番目に挙げた方法において提案されているヒストグラムを利用することにより、ダイナミックに関連する情報を維持しながらもデータ量を激減させることができる。この場合、個々の動作点について空気質量捕捉装置の完全な信号の代わりに、この信号のヒストグラムだけが記憶される。そして特性曲線最適化中、空気質量捕捉装置の個々の信号値各々が特性曲線に対する補間によって空気質量流に換算されるのではなく、等間隔のヒストグラムチャネルの境界（実際にはその単位はボルト Ｖ）が特性曲線に対して補間されたビンニングベクトル（Binning-Vector 単位はたとえばｋｇ／ｈ）に置き換えられるだけである。ここで重要であるのは、ビンニングベクトルのディメンションと等しい決められた数の補間だけしか必要とされないことである。したがって補間の数は測定データ量に依存しない一方、測定精度は測定データの量に従い向上する。

ヒストグラムを利用することにより、データ量をいくつかのオーダだけ低減できるようになる。その結果としてさらに、最適化アルゴリズムが著しく高速に収束するようになる。内燃機関の吸気領域における特性に従い、この方法によってそもそも最適化法の収束が初めて実現される。

従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

第１の実施形態によれば、非線形の最適化のためにレベンベルグ・マルカン（Levenberg-Marquardt）法が使用される。この非線形の最適化法は比較的高速に収束し、かつ簡単にプログラミング可能である。しかしこれに対する代案として、遺伝的アルゴリズムあるいは進化的戦略（Evolution Strategy）を最適化のために使用することもできる。

その際、所定数の補間ステップ後に反復を中止することができる。これによって計算の煩雑さがまえもって決められた範囲内に保たれる。

さらにこれに対する代案として、２乗ノルムに対しまえもって定めた値に達したときに反復が中止されるようにしてもよい。この場合には最適化結果の精度がまえもって与えられる。

さらにここで有利であるのは、ランダムに生成された種々のスタティックな特性曲線を初期特性曲線として用いることである。その結果、準最適化の極値の識別が可能となる。これにより最適化結果がさらに改善される。

さらに本発明によれば付随条件に関しても最適化が行われ、これによれば整合された特性曲線の望ましい経過特性が考慮される。このようにしてたとえば、整合された特性曲線の単調な経過特性に対する要求を考慮できるようになる。

次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

図１には、ディーゼルエンジン全体として参照符号１０が付されている。内燃機関１０には複数のシリンダが含まれているけれども、見やすくするため図１にはそれらのシリンダのうち１つのシリンダだけが描かれている。シリンダは燃焼室１２を有しており、そこへ吸気管１４および吸気弁１６を介して空気が供給される。燃焼室１２から排気弁１８および排気管２０を介して燃焼排気ガスが排出される。吸気管１４を通って流れる空気質量流は空気質量捕捉装置２４により捕捉され、この実施例ではこれはＨＦＭセンサと呼ばれる加熱フィルム型空気質量測定器である。

さらに空気質量流は、排気管２０内に配置された高精度の参照センサ２６いわゆる「エアメータ Luftuhr」により捕捉される。燃焼室にはインジェクタ２８を介してダイレクトに燃料が導かれ、この場合、燃料は高圧燃料システム３０によって供給される。さらにグロー装置３２により、燃焼室１２内に存在する混合気をコールドスタート時に発火させるのが容易になる。

吸気管１４を介して燃焼室１２に達する空気質量を求めることは、燃焼室１２内の適正な混合気制御のために非常に重要である。したがって空気質量流をＨＦＭセンサ２４によりできるかぎり高い精度で捕捉できるようにするのが望ましい。この目的で、ＨＦＭセンサ２４の出力信号Ｕ_ＨＦＭを対応する空気質量流ｍと結合する特性曲線が用いられる。図２にはこの種の特性曲線３８の一例が示されている。この特性曲線３８には複数の補間支持点３６が含まれている。この場合、特性曲線３８はこれらの補間支持点３６の間を補間することによって作成される。構造形式に起因して吸気管１４内において、程度の差こそあれ空気の脈動が生じる可能性がある。

ＨＦＭセンサにおける熱力学的および空気力学的な作用に起因して、このような空気の脈動により誤った測定結果が生じるおそれおがあり、このような誤った測定結果はこれまで用いられていたスタティックな特性曲線の場合には考慮できなかった。このような誤りを最小限に抑える目的で修正されたダイナミックな特性曲線が用意され、これによれば吸気管１４内のダイナミックな流動作用も考慮され、吸気管１４を通って燃焼室１２に流れ込む空気質量流ができるかぎり精確に再現される。この目的で非線形の最適化法が実行され、次にこれについて図３を参照しながら説明する。

まずはじめに内燃機関１０を用いた試験台運転において、ＨＦＭセンサ２４の未処理信号が様々な回転数ポイント／負荷ポイントにおいて記録される。この実施例ではこれらの信号は１５個の異なる回転数と１５個の異なる負荷について、６０秒の長さおよび０．５ミリ秒の時間分解能で捕捉される。その結果、ＨＦＭセンサ２４の出力電圧Ｕ_ＨＦＭが１５×１５×１２００００のディメンションをもつアレイとして得られる（図３の参照符号４０）。

ついでこれらのデータ量は、ダイナミックに関連する情報を維持しながらヒストグラムを求めることにより低減される。この場合、回転数ポイント／負荷ポイントごとに記録された時間に依存する電圧信号Ｕ＝ｆ（ｔ）（図４の一番上のダイアグラム）が、１つの完全な脈動周期にわたりヒストグラムｎ_ｒｅｆｆ（Ｕ）（図４のまん中のダイアグラム）に変換される。したがって１つのヒストグラムは測定時間ｔ全体にわたる平均すなわちすべての規則変動にわたる平均に相応する一方、このヒストグラムには関連するすべてのダイナミックな情報が含まれる。

その際、電圧Ｕ_ＨＦＭは、一定のステップ幅を用いて等間隔で表される（ここでは０〜５Ｖの範囲が０．００５Ｖのステップ幅でカバーされる）。したがって結果として得られるアレイｎ_ｒｅｆ（図３の参照符号４２）はこの実施例では、まだ１５×１５×１０００のディメンションであるにすぎない。これによってデータ量は約１８０ＭＢから約１．８ＭＢまで２つのオーダだけ低減されたにすぎない。

参照符号５４において０〜５Ｖの電圧値Ｕ_ＨＦＭ（ステップ幅０．００５Ｖ）は２乗補間ないしは平方補間を用いて補間され、５２ｂに示されている特性曲線が形成される。この特性曲線は通常、最初は（「初期推定」"initial guess" 参照符号５１）各補間支持点間で間隔ΔＵ_Ａ（参照符号５２ａ）を有しており、これは通常のスタティックな特性曲線における各補間支持点（ｍ，Ｕ_Ａ）の間隔に相応する。上述の補間が意味するのは、ＨＦＭセンサ２４の個々の信号値各々が特性曲線に対する補間によっても空気質量流に換算されるのではなく、むしろ等間隔のヒストグラムチャネル（単位：ボルト Ｖ）の境界が特性曲線に対して補間されたビンニングベクトルbinning vector（単位：ｋｇ／ｈ）に置き換えられること以外の何ものでもない。この結果は

（参照符号５６）である。

ついで参照符号４４において各動作点ｎ，Ｐ_ＭＥごとに空気質量流ｍ_ＨＦＭに対し重みづけられた平均値が形成される（これは対応するヒストグラムの重心点と一致する）。これによって回転数ｎと負荷Ｐ_ＭＥに依存して２次元アレイとして

が得られる（参照符号４６）。参照符号４８においてそこから相対偏差ｄｍ／ｍが計算され、これは平均空気質量流（ブロック４６）と参照センサ２６により捕捉された空気質量流ｍ_ＶＳとの差を参照センサにより捕捉された空気質量流に相対させたものである（空気質量流ｍ_ＶＳは回転数ｎと負荷Ｐ_ＭＥとに依存して参照符号４９において２次元アレイとして準備される）。ここで述べておくと別の実施例において、精密な参照センサにより捕捉された値の代わりに、実際の空気質量流にできるかぎり厳密に対応する別のやり方で求められた値を使用することもできる。

次に相対偏差ｄｍ／ｍに関するこの行列を符号５０において２乗ノルムＸ^２が計算され、これはすべての回転数ポイント／負荷ポイントにわたる偏差の２乗の合計に相応する。つまり２乗ノルムＸ^２の計算は、２乗された行列成分に関して総和を形成することにより行われる。最適化のゴールはこの数の最小化であり、これによって特性曲線における補間支持点の新たな間隔ΔＵ_Ａ（参照符号５２ａ）が得られる。このようにして修正された特性曲線が参照符号５２ｂにおいて得られ、これは相応の新たな補間支持点ｍ（空気質量流）とΔＵ_Ａ（電圧）によって表される。

項Ｘ′^２を介して、最適化における付随条件を考慮することができる。つまりこの場合、たとえば特性曲線に対し単調な経過特性が要求される。非単調な経過特性をもつ特性曲線を最適化結果として排除することができる。これは負のΔＵ_Ａのときに大きくなる項Ｘ′^２により考慮することができる。

２乗補間を用いることにより、この新たな特性曲線５２が新たな補間支持点として再び等間隔の電圧Ｕ_ＨＦＭに換算され、これはヒストグラム形成におけるビンニングベクトルとして用いられる。これにより特性曲線に従いビンニングベクトルの電圧に対応づけられた新たな

（参照符号５６）が得られる。

ステップ５４，５６，４４，４６，４８，５０，５２ａ，５２ｂは補間の目的で、所定数の補間ステップに達するまで繰り返されるかまたは、２乗ノルムＸ^２が所定値に達するまで繰り返される。ヒストグラムを用いたデータ低減によって、最適化に必要とされる期間はこの実施例では一般的な計算装置において約３０秒にすぎない。データ低減により達成される時間の利点は、存在するデータ量が増えれば増えるほど大きくなる。スタティックな特性曲線に対し、最終的に参照符号５２において得られる修正されたダイナミックな特性曲線の精度は、図５のダイアグラムと図６のダイアグラムを比較すれば明らかである。これらのダイアグラムには、相応の特性曲線を用いて求められた空気質量流と実際の空気質量流との相対偏差ｄｍ／ｍが等しい部分の面積ないしは平面が、回転数ｎおよび負荷に対応する平均圧力Ｐ_ＭＥに依存して書き込まれている。

ここに示されているように内燃機関１０の動作領域全体において、修正されたダイナミックな特性曲線を使用した場合には最大の相対偏差は６％〜１０％であるが、広い領域にわたり−２％〜＋２％であるにすぎない（図６）。これに対し通常のスタティックな特性曲線を使用した場合には、殊に低い回転数において１８％に及ぶ偏差が確認された（図５）。

図７には、上述の方法に対する代案となる実施例の流れが描かれている。この場合、機能的に等価な領域には図３と同じ参照符号が用いられている。また、すでに図３のところで説明した部分については、図７の説明では繰り返し説明しない。

図７に示されている方法と図３で示した方法との相違点は殊に、ここではヒストグラム形成によるデータ低減を行わないことである。その結果、参照符号５４において回転数ポイント／負荷ポイントごとに１０００個の補間の代わりに、２７００００００の補間が必要となる（１５×１５×１２０００）。したがって最適化のための相応の計算時間は図３に示した方法よりもかなり長くなり（一般的な計算装置では約６時間）、最適化は輻輳的に長くなる。

空気質量捕捉装置を備えた内燃機関を示す図である。

図１の空気質量捕捉装置の典型的な特性曲線を示す図である。 図１の空気質量捕捉装置のために修正されたダイナミックな特性曲線を生成するための方法に関する第１の実施例を示す図である。 ヒストグラムの形成によりデータを低減する様子を説明するダイアグラムである。 スタティックな特性曲線に基づき求められた空気質量流と実際の空気質量流との相対偏差が等しい部分の面積ないしは平面を、図１に示した内燃機関における種々の動作点において書き込んだ図である。 適合されたダイナミックな特性曲線に基づく図５と類似のダイアグラムである。 図１の空気質量捕捉装置のために適合されたダイナミックな特性曲線を生成するための方法の第２に実施例に関して図３と同じようにして示した図である。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１２ 燃焼室
１４ 吸気管
１６ 吸気弁
１８ 排気弁
２０ 排気管
２４ 空気質量捕捉装置
２６ 参照センサ
２８ インジェクタ
３０ 高圧燃料システム
３２ グロー装置

Claims (8)

1. 内燃機関のための空気質量捕捉装置（２４）の少なくとも１つの特性曲線を生成する方法において、前記空気質量捕捉装置（２４）の出力信号（Ｕ）が空気質量流（ｍ）と結合され、
   ａ）空気質量捕捉装置（２４）の未処理信号（Ｕ_ＨＦＭ）を取得するステップ（４０）を有しており、内燃機関試験台上で種々の動作点において該空気質量捕捉装置（２４）に空気質量流（ｍ）を供給し、該空気質量捕捉装置（２４）により生成された信号を捕捉し、
   ｂ）前記空気質量捕捉装置（２４）の未処理信号（Ｕ_ＨＦＭ）を、出力特性曲線（５２ｂ）に対する補間（５４）により空気質量流値（ｍ_ＨＦＭ）に換算するステップと、
   ｃ）個々の動作点（ｎ，Ｐ_ＭＥ）に対し１つの脈動周期の整数倍にわたり該空気質量流値（ｍ_ＨＦＭ）の平均値を形成するステップ（４４）と、
   ｄ）比較空気質量流からの平均空気質量流の偏差に相応する偏差（ｄｍ／ｍ）を個々の動作点（ｎ，Ｐ_ＭＥ）について計算するステップ（４８）と、
   ｅ）該偏差（ｄｍ／ｍ）のマトリックスについて２乗ノルム（Ｘ^２）を計算するステップ（５０）と、
   ｆ）２乗ノルム（Ｘ^２）が最小化される条件に関して最適化されるよう整合された特性曲線を生成するステップ（５２ａ，５２ｂ）と、
   ｇ）前記空気質量捕捉装置（２４）の未処理信号（Ｕ_ＨＦＭ）を、整合された特性曲線（５２ｂ）に対する補間（５４）により空気質量流値（ｍ_ＨＦＭ）に換算するステップと、
   ｈ）前記ステップｇ），ｃ），ｄ），ｅ），ｆ）を繰り返して反復するステップとを有することを特徴とする、
   内燃機関のための空気質量捕捉装置（２４）の少なくとも１つの特性曲線を生成する方法。
2. 内燃機関のための空気質量捕捉装置（２４）の少なくとも１つの特性曲線を生成する方法において、前記空気質量捕捉装置（２４）の出力信号（Ｕ）が空気質量流（ｍ）と結合され、
   ａ）空気質量捕捉装置（２４）の未処理信号（Ｕ_ＨＦＭ）を取得するステップ（４０）を有しており、内燃機関試験台上で種々の動作点（ｎ，Ｐ_ＭＥ）において該空気質量捕捉装置（２４）に空気質量流（ｍ）を供給し、該空気質量捕捉装置（２４）により生成された信号を捕捉し、
   ｂ）内燃機関（１０）の個々の動作点（ｎ，Ｐ_ＭＥ）について少なくとも１つの完全な脈動周期にわたり前記未処理信号（Ｕ_ＨＦＭ）からヒストグラムを生成するステップ（４２）と、
   ｃ）出力特性曲線（５２ｂ）に対する補間（５４）により、等間隔の信号値（Ｕ_ＨＦＭ）を空気質量流値（ｍ_ＨＦＭ）に換算するステップと、
   ｄ）それぞれ各動作点（ｎ，Ｐ_ＭＥ）について前記ヒストグラムを用いて空気質量流値（ｍ_ＨＦＭ）の重み付けられた平均値を形成するステップ（４４）と、
   ｅ）比較空気質量流からの平均空気質量流の偏差に相応する偏差（ｄｍ／ｍ）を計算するステップ（４８）と、
   ｆ）該偏差のマトリックスに関して２乗ノルム（Ｘ^２）を計算するステップ（５０）と、
   ｇ）２乗ノルム（Ｘ^２）が最小化される条件に関して最適化されるよう整合された特性曲線（５２ｂ）を生成するステップと、
   ｈ）前記空気質量捕捉装置（２４）の未処理信号（Ｕ_ＨＦＭ）を、整合された特性曲線（５２ｂ）に対する補間（５４）により空気質量流値（ｍ_ＨＦＭ）に換算するステップと、
   ｉ）前記ステップｈ），ｄ），ｅ），ｆ），ｇ）を繰り返して反復するステップとを有することを特徴とする、
   内燃機関のための空気質量捕捉装置（２４）の少なくとも１つの特性曲線を生成する方法。
3. 最適化として非線形の最適化たとえばレベンベルグ・マルカン（Levenberg-Marquardt）法を使用する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記反復ステップを所定回数実行後、反復を中止する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. ２乗ノルム（Ｘ^２）が所定値に達すると前記反復を中止する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
6. 内燃機関（１０）の負荷領域（Ｐ_ＭＥ）および／または回転数領域（ｎ）全体にわたり信号を捕捉する、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. ランダムに生成された種々のスタティックな特性曲線を初期特性曲線として用いる、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 整合される特性曲線の望ましい経過特性を考慮する付随条件（Ｘ^２）に関しても最適化を行う、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。

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