JP2005147025A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内圧センサ出力に基づく燃料噴射量制御をより正確に行うことができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】 エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊが算出され、要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊに応じて要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊが算出される。検出筒内圧ＰＣＹＬに応じてエンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔが算出され、要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊ及びエンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔに基づいて、逐次型統計アルゴリズムを用いて相関パラメータａ，ｂが算出される。相関パラメータａ，ｂを用いて要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊを補正することにより、最終指令燃料噴射量ＭＦｃｍｄが算出される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に筒内圧センサにより検出される筒内圧に応じて燃料供給量の補正を行うものに関する。

燃料噴射弁により燃料が供給される内燃機関において、燃料噴射量を決定する従来の手法を、図６を参照して説明する。図６は、演算装置により演算される要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊの算出手法を説明するための機能ブロック図である。この図において、要求タイヤ端トルク演算部１２１は、機関回転数ＮＥ及び当該車両のアクセルペダルの踏込量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰに応じて、当該車両の運転者が要求するタイヤ駆動トルクである要求タイヤ端トルクＴＲＴＱＣＭＤを算出する。乗算部１２２は、要求タイヤ端トルクＴＲＴＱＣＭＤにギヤ比ＧＲを乗算し、加算部１２３は、乗算部１２２の出力に動力伝達機構の摩擦トルクＴＭＴＱＦＲＣを加算することにより、要求クランク軸出力トルクＢＭＥＰｏｂｊを算出する。加算部１２４は、要求クランク軸出力トルクＢＭＥＰｏｂｊにエンジン内部摩擦トルクＦＭＥＰを加算することにより、要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊを算出する。乗算部１２５は、要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊに、トルクを燃料噴射量に換算する換算係数ＲＴＱ２Ｑを乗算することにより、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊを算出する。

図６に示す手法により算出される要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊは、基本的にフィードフォワード制御により算出されるものであるため、燃料噴射弁（インジェクタ）の特性ばらつきや経時変化により、実際の燃料噴射量がこの要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊからずれる可能性がある。

そこで、特許文献１には、内燃機関の筒内圧を筒内圧センサにより検出し、該検出した筒内圧から実エンジントルクを算出し、この実エンジントルクが要求エンジントルクと一致するように、燃料噴射量をフィードバック制御する技術が示されている。

特開平９−６８０８２号公報

しかしながら、筒内圧センサの実際の出力信号には、様々なノイズが含まれているため、筒内圧センサの出力に応じて算出される実エンジントルクと、要求エンジントルクとの単純比較の結果に応じて燃料噴射量の補正を行うと、補正された燃料噴射量がノイズに起因する変動成分を含むことになり、正確な燃料噴射量制御を継続して行うことが困難である。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、筒内圧センサ出力に基づく燃料噴射量制御をより正確に行うことができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の運転状態に応じて要求トルクを決定する要求トルク決定手段と、前記要求トルクに応じて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、算出された燃料噴射量に応じて燃料噴射弁を駆動する燃料噴射手段とを備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、該筒内圧検出手段の出力に応じて実トルクを算出する実トルク算出手段と、前記要求トルク及び実トルクに基づいて、逐次型統計アルゴリズムを用いて補正量を算出する補正量算出手段と、前記補正量に応じて前記燃料噴射量を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、筒内圧検出手段の出力、すなわち検出筒内圧に応じて実トルクが算出され、要求トルク及び実トルクに基づいて、逐次型統計アルゴリズムを用いて補正量が算出され、この補正量に応じて燃料噴射量が補正される。統計アルゴリズムを用いて補正量を算出することにより、燃料噴射弁の特性ばらつきや経時変化の傾向を、ノイズの影響を排除して正確に反映させることができ、正確な燃料噴射量制御を行うことができる。また逐次型統計アルゴリズムを用いることにより、補正量の演算に必要なメモリ容量の増大を防止することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関の燃料噴射制御装置の構成を示す図である。４気筒のディーゼル内燃機関（以下「エンジン」という）１の各気筒には、筒内圧ＰＣＹＬを検出する筒内圧センサ２が設けられている。本実施形態では、筒内圧センサ２は、各気筒に設けられるグロープラグと一体に構成されている。筒内圧センサ２の検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４に供給される。またエンジン１には、クランク軸（図示せず）の回転角度（クランク角度）ＣＡを検出するクランク角度センサ３が設けられている。クランク角度センサ３は、クランク角１度毎のＣＲＫパルスを出力するとともに、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でＣＹＬパルスを出力する。さらに、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）より所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力する。これらのＣＲＫパルス、ＣＹＬパルス及びＴＤＣパルスは、ＥＣＵ４に供給される。

ＥＣＵ４は、エンジン１の各気筒の燃焼室に設けられた燃料噴射弁６の制御信号を駆動回路５に供給する。駆動回路５は、燃料噴射弁６に接続されており、ＥＣＵ４から供給される制御信号に応じた駆動信号を、燃料噴射弁６に供給する。これにより、ＥＣＵ４から出力される制御信号に応じた燃料噴射時期において、前記制御信号に応じた燃料噴射量だけ燃料が噴射される。

ＥＣＵ４には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ１１が接続されており、アクセルセンサ１１の検出信号は、ＥＣＵ４に供給される。
ＥＣＵ４は、上記センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、駆動回路５に制御信号を供給する出力回路を備えている。

図２は、ＥＣＵ４のＣＰＵによる演算処理により実現される燃料噴射制御装置の構成を示す機能ブロック図である。この図において、要求タイヤ端トルク演算部２１、乗算部２２，２５，及び加算部２３，２４は、図６に示した要求タイヤ端トルク演算部１２１、乗算部１２２，１２５，及び加算部１２３，１２４と同一の機能を有する。

本実施形態では、さらにＩＭＥＰ演算部２６、乗算部２７、逐次パラメータ同定部２８、及び補正演算部２９が設けられている。ＩＭＥＰ演算部２６は、検出した筒内圧ＰＣＹＬに基づいて図示平均有効圧力Ｐｍｉを算出し、図示平均有効圧力Ｐｍｉに換算係数ＫＰＴＱを乗算することにより、エンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔを算出する。本実施形態では、クランク角１度毎に筒内圧ＰＣＹＬがサンプリングされる。そして、筒内圧ＰＣＹＬと、クランク角１度の期間における気筒容積の変化量ＤＶとを乗算し、その乗算結果を１サイクル（クランク角７２０度）に亘って積算することにより、図示平均有効圧力Ｐｍｉが算出される。

乗算部２７は、エンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔに換算係数ＲＴＱ２Ｑを乗算することにより、実燃料噴射量ＭＦａｃｔを算出する。逐次パラメータ同定部２８は、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊと実燃料噴射量ＭＦａｃｔとの相関関係を示す相関パラメータａ，ｂを、逐次型同定アルゴリズムにより算出する。補正演算部２９は、下記式（１）により、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊを補正し、最終指令燃料噴射量ＭＦｃｍｄを算出する。そして、最終指令燃料噴射量ＭＦｃｍｄに応じた制御信号が、ＥＣＵ４から駆動回路５に出力される。なお、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊ、実燃料噴射量ＭＦａｃｔ、及び最終指令燃料噴射量ＭＦｃｍｄは、具体的には燃料噴射弁６の開弁時間として算出される。
ＭＦｃｍｄ＝（ＭＦｏｂｊ−ｂ）／ａ （１）

次に図３を参照して、逐次パラメータ同定部２８における演算を説明する。図３は、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊ、実燃料噴射量ＭＦａｃｔとの相関特性を示す図である。この図において、黒点が実際に計測されたデータ例を示し、直線Ｌ１は、最小２乗法により求められる回帰直線である。同図（ａ）は、特性が平均的な新品の燃料噴射弁を用いた場合の相関特性を示し、同図（ｂ）は、経時変化により、特性が変化した燃料噴射弁を用いた場合の相関特性を示す。この図に示す例では、直線Ｌ２が回帰直線となる。

逐次パラメータ同定部２８では、回帰直線を表す式を下記式（２）で定義したときの相関パラメータａ，ｂが算出される。式（２）のｘは、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊであり、ｙｈａｔは、実燃料噴射量ＭＦａｃｔの近似値である。
ｙｈａｔ＝ａ・ｘ＋ｂ （２）

次に逐次パラメータ同定部２８における相関パラメータａ，ｂの演算手法を詳細に説明する。
一般に最小２乗法によって信頼性の高い相関パラメータａ，ｂを算出するためには、多数の要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊ及び実燃料噴射量ＭＦａｃｔのデータが必要である。そのため、相関パラメータ演算のために多数のデータをメモリに蓄積する必要がある。

さらに最小２乗法の実行には、逆行列演算が必要となり、エンジン制御用のＣＰＵの演算能力では演算時間が長くなって、車両走行中（エンジン作動中）に演算を終えることができないといった問題や、他のエンジン制御のための演算が実行できなくなるといった問題が発生する。そのような問題を避けるためには、逆行列演算のための専用のＣＰＵを設けることが考えられるが、コストが大幅に上昇することとなる。

そこで本実施形態では、適応制御やシステム同定に用いられる逐次型同定アルゴリズムを相関パラメータａ，ｂの算出に適用することとした。以下、相関パラメータの演算に適用した逐次型同定アルゴリズムを、逐次型最小２乗法アルゴリズムという。具体的には、逐次型最小２乗法アルゴリズムは、時系列で得られる処理対象データの今回値（最新値）ＭＦｏｂｊ(k)及びＭＦａｃｔ(k)と、相関パラメータの前回値ａ(k-1)，ｂ(k-1)とに基づいて、相関パラメータの今回値ａ(k)及びｂ(k)を算出する漸化式を用いたアルゴリズムである。

相関パラメータａ，ｂを要素とする相関パラメータベクトルθ(k)を下記式（３）で定義すると、逐次型最小２乗法アルゴリズムによれば、相関パラメータベクトルθ(k)は下記式（４）により算出される。
θ(k)^T＝［ａ(k) ｂ(k)］ （３）
θ(k)＝θ(k-1)＋ＫＰ(k)×ｅ(k) （４）

式（４）のｅ(k)は、下記式（５）及び（６）で定義される同定誤差である。またＫＰ(k)は、下記式（７）で定義されるゲイン係数ベクトルであり、式（７）のＰ(k)は、下記式（８）により算出される２次の正方行列である。
ｅ(k)＝ＭＦａｃｔ(k)−ｙｈａｔ
＝ＭＦａｃｔ(k)−θ(k-1)^Tζ(k) （５）
ζ^T(k)＝［ＭＦｏｂｊ(k) １］ （６）

式（８）の係数λ１，λ２の設定により、式（４）〜（８）による最小２乗法アルゴリズムは、以下のような５つのアルゴリズムのいずれかになる。
λ１＝１，λ２＝０ 固定ゲインアルゴリズム
λ１＝１，λ２＝１ 最小２乗法アルゴリズム
λ１＝１，λ２＝λ 漸減ゲインアルゴリズム（λは「０」より大きく「２」より小さい所定値）
λ１＝λ，λ２＝１ 重み付き最小２乗法アルゴリズム（λは「０」より大きく「１」以下の所定値）
λ１／λ２＝σ（固定値） 固定トレースアルゴリズム

本実施形態では、係数λ１を０と１の間の所定値λに設定し、係数λ２を１に設定する重み付き最小２乗法アルゴリズムを採用しているが、他のアルゴリズムを採用してもよい。統計処理に適しているのは、最小２乗法アルゴリズム及び重み付き最小２乗法アルゴリズムである。

式（４）〜（８）の逐次型最小２乗法アルゴリズムによれば、前述した一括演算型最小２乗法の演算で必要とされる逆行列演算は不要であり、メモリに記憶すべき値はａ(k)、ｂ(k)及びＰ(k)（２列２行の行列）のみである。したがって、逐次型重み付き最小２乗法を用いることにより、統計処理演算を簡略化することができ、特別なＣＰＵを用いることなく、エンジン制御用ＣＰＵにより演算することが可能となる。

図４及び図５は、図２に示す燃料噴射制御装置を実現する演算処理のフローチャートであり、これらの処理はＥＣＵ４のＣＰＵで、ＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１１では、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じて要求タイヤ端トルクＴＲＴＱＣＭＤを算出し、ステップＳ１２では、要求タイヤ端トルクＴＲＴＱＣＭＤにギヤ比ＧＲを乗算し、さらに動力伝達機構の摩擦トルクＴＭＴＱＦＲＣを加算することにより、要求クランク軸出力トルクＢＭＥＰｏｂｊを算出する。ステップＳ１３では、要求クランク軸出力トルクＢＭＥＰｏｂｊにエンジン内部摩擦トルクＦＭＥＰを加算することにより、要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊを算出し、ステップＳ１４では、要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊに、換算係数ＲＴＱ２Ｑを乗算することにより、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊを算出する。ステップＳ１５では、後述する図５の処理で算出される相関パラメータａ，ｂ及び要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊを式（１）に適用し、最終指令燃料噴射量ＭＦｃｍｄを算出する。

図５は、相関パラメータａ，ｂを算出する処理のフローチャートであり、この処は、ＥＣＵ４のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ２１では、検出筒内圧ＰＣＹＬに基づいて図示平均有効圧力Ｐｍｉを算出し、図示平均有効圧力Ｐｍｉに換算係数ＫＰＴＱを乗算することにより、エンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔを算出する。ステップＳ２２では、エンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔに換算係数ＲＴＱ２Ｑを乗算することにより、実燃料噴射量ＭＦａｃｔを算出する。ステップＳ２３では、式（４）〜（８）により相関パラメータベクトルθ、すなわち相関パラメータａ，ｂを算出する。

以上のように本実施形態では、検出筒内圧ＰＣＹＬに応じて実燃料噴射量ＭＦａｃｔが算出され、実燃料噴射量ＭＦａｃｔと、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊとの相関特性を示す相関パラメータａ，ｂが算出される。そして、相関パラメータａ，ｂを用いて、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊを補正することにより、最終指令燃料噴射量ＭＦｃｍｄが算出される。したがって、燃料噴射弁６の特性ばらつきや経時変化の傾向を、ノイズの影響を排除して正確に、最終指令燃料噴射量ＭＦｃｍｄに反映させることができ、正確な燃料噴射量制御を行うことができる。また逐次型統計（最小２乗法）アルゴリズムを用いることにより、補正量の演算に必要なメモリ容量の増大を防止することができる。

本実施形態では、筒内圧センサ２が筒内圧検出手段を構成し、ＥＣＵ４が要求トルク決定手段、燃料噴射量算出手段、実トルク算出手段、補正量算出手段、及び補正手段を構成し、ＥＣＵ４及び駆動回路５が燃料噴射手段を構成する。より具体的には、要求タイヤ端トルク演算部２１、乗算部２２、及び加算部２３，２４が要求トルク決定手段に相当し、乗算部２５、乗算部２７、逐次パラメータ同定部２８及び補正演算部２９が燃料噴射量算出手段に相当し、ＩＭＥＰ演算部２６が実トルク決定手段に相当し、乗算部２７及び逐次パラメータ同定部２８が補正量算出手段に相当し、補正演算部２９が補正手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊと、実燃料噴射量ＭＦａｃｔとの相関特性を示す相関パラメータを求めるようにしたが、要求燃料噴射量ＭＦｏｂｊ及び実燃料噴射量ＭＦａｃｔは、それぞれ要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊ及びエンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔに換算係数ＲＴＱ２Ｑを乗算したものなので、要求エンジン図示トルクＩＭＥＰｏｂｊとエンジン図示トルクＩＭＥＰａｃｔとの相関特性を示す相関パラメータを求めるようにしてもよい。

また上述した実施形態では、４気筒のディーゼル内燃機関の例を示したが、これに限るものではなく、気筒数の異なるディーゼル内燃機関、あるいはガソリン内燃機関にも、本発明は適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその燃料噴射制御装置の構成を示すブロック図である。 燃料噴射制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 要求燃料噴射量（ＭＦｏｂｊ）と実燃料噴射量（ＭＦａｃｔ）との相関特性を説明するための図である。 燃料噴射量を算出する処理のフローチャートである。 相関パラメータを算出する処理のフローチャートである。 従来の燃料噴射量算出手法を説明するためのブロック図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
４ 電子制御ユニット
５ 駆動回路
６ 燃料噴射弁
２１ 要求タイヤ端トルク演算部（要求トルク決定手段）
２２ 乗算部（要求トルク決定手段）
２３，２４ 加算部（要求トルク決定手段）
２５ 乗算部（燃料噴射量算出手段）
２６ ＩＭＥＰ演算部（燃料噴射量算出手段、実トルク決定手段）
２７ 乗算部（燃料噴射量算出手段）
２８ 逐次パラメータ同定部（燃料噴射量算出手段、補正量算出手段）
２９ 補正演算部（燃料噴射量算出手段、補正手段）

Claims (1)

1. 内燃機関の運転状態に応じて要求トルクを決定する要求トルク決定手段と、前記要求トルクに応じて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、算出された燃料噴射量に応じて燃料噴射弁を駆動する燃料噴射手段とを備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   該筒内圧検出手段の出力に応じて実トルクを算出する実トルク算出手段とを備え、
   前記燃料噴射量算出手段は、
   前記要求トルク及び実トルクに基づいて、逐次型統計アルゴリズムを用いて補正量を算出する補正量算出手段と、
   前記補正量に応じて前記燃料噴射量を補正する補正手段とを有することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。

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