JP2005194977A - 内燃機関の過渡特性試験装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの過渡試験の時間を短縮する。
【解決手段】 過渡状態でエンジンの試験を行い、その結果のデータを取り込み、過渡エンジンモデルを生成する。この過渡エンジンモデルとして、例えば、ｎ次回帰モデルを生成する。このとき、取り込んだデータについて、制御入力と出力との間の時間遅れがあるものについては、その時間遅れについて調整を行う処理を行った後、回帰演算を行って過渡エンジンモデルを生成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）の過渡試験に用いる。本発明は、特にディーゼルエンジンの過渡特性性能を、要求される性能目標に適合化させるための過渡試験方法およびそのためのシステムに関する。本発明は、エンジン過渡性能目標を満足するエンジン制御システムを短時間に構築できるようにするためのものである。

エンジンの過渡特性は、回転速度やトルクが一定状態であるような定常状態でなく、時間によって変化する場合の特性をいう。例えば、加速中であるとか減速中であるとか、回転速度などが変化している状態でのエンジンの特性をいう。

従来のエンジンの過渡状態でのエンジンのトルク出力や排気ガスなどの出力特性測定は、実機を定常状態にしてそのエンジンの出力状態を測定し、その定常状態の出力データに何らかの重み付けをして過渡状態の特性に置き換えてエンジンの出力を推定するという手法で行われていた。

しかし、定常状態でのエンジン特性の測定は、あるエンジンの制御因子（例えば燃料噴射量、燃料噴射タイミングなど）の制御値を変更したときは、定常状態になるまで所定時間（例えば３分）経過するのを待ってその状態の出力を測定するというように、一つの制御因子の制御値を変更して定常状態になって所定時間経過後に測定し、次にまた制御因子の制御値を変更して、測定を行うというように時間のかかるものであった。

ところで、実際の車両の走行では、エンジンは加速状態あるいは減速状態である時間の方が多く、定速状態で走行できることの方が少ない。このため、エンジンの過渡状態での特性を測定することが重要である。また、近年排気ガス規制の仕方が、いままでのエンジンの定常状態での排気ガスの値で規制するのではなく、エンジンの過渡状態での排気ガスの規制値で規制しようとする方向にある。したがって、エンジンについて、どの制御因子をどのように変更したらどのような過渡状態の排気ガスが得られるかという過渡特性の測定が重要になった。

ところで、上述したように、定常状態のエンジンの制御因子の変更に対してどのような出力が得られるかという定常特性の測定でも、制御因子が多くなり、特にＥＣＵによる電子制御によってエンジン制御に多数の制御因子が現れるようになったので、試験時間が長時間かかるようになった。例えば、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation ）バルブ制御であるとか、ＶＧＴ（Variable Geometry Turbo ）制御などエンジン制御に関する種々の電子制御の要素が加わってくるようになった。過渡特性測定では、エンジンの回転速度やトルク自体が時系列的に変化する状態で、その出力データも当然時系列的に変動するデータとして現れるので、制御因子の数が多くなり、それらの制御因子一つ一つについてその制御値を変更しながら定常状態で測定しようとすれば、その試験時間は指数関数的に増大する。

そこで、仮想的にエンジンや車両の特性を模擬したシミュレーションを用いてエンジン制御等の評価を行うとする技術が提案されている（特許文献１参照）。

この技術は、シミュレータ内にエンジンを含む仮想的な車両モデルを車種ごとに作成しておき、車両モデルに種々の制御入力、例えばスロット開度であるとか、クランク角度などの制御因子の制御値を入力し、その入力された制御値に基づいて仮想的な車両モデルの出力として、エンジン回転速度とか車速とか排気ガス温度センサの値とかを推定しようとするものである。
特開平１１−３２６１３５号公報

上述のように、実機で定常状態や過渡状態の特性を測定しようとすると近年はエンジンの制御因子の数が多数になったため、試験データを得るにはどうしても長時間かかり、エンジン開発のネックとなっていた。

また、仮想のエンジンモデルを含む車両モデルをシミュレータに展開して、それを用いてエンジンの挙動を観察する手法はエンジン開発の時間を短縮できる点で有用である。しかし、上述の公知文献では車両モデルの模擬モデルを作成することを目的とするもので、エンジンの過渡状態の現象について模擬モデルを生成してそれによりエンジンの過渡状態に要求される性能を評価するものではなかった。また、エンジンのそれぞれの制御因子の制御値を過渡状態に対応して変更してその結果を推定するには、操作性が悪い問題があった。

本発明は、このような背景になされたもので、エンジンの過渡試験の時間を短縮することができる過渡特性試験装置および方法を提供することを目的とする。これにより、本発明は、エンジン開発の時間を短縮することができる過渡特性試験装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は、過渡状態でエンジンの試験を行い、その結果のデータを取り込み、過渡エンジンモデルを生成する。この過渡エンジンモデルとして、例えば、ｎ次回帰モデル式を生成する。回帰モデル式は、現れた現象から因子のパラメータを予測する手法であり、２以上の変数である制御因子があるようなときには、複数の制御因子のパラメータ（係数）を回帰演算により求めることができる。このとき、取り込んだデータについて、制御入力と出力との間の時間遅れがあるものについては、その時間遅れについて調整を行う処理を行った後、回帰演算を行って過渡エンジンモデルを生成する。

すなわち、本発明の第一の観点は、過渡特性試験装置であって、本発明の特徴とするところは、内燃機関の複数の制御因子について、制御因子を変えながら過渡運転を行う手段と、この過渡運転の結果のデータを取り込む手段と、取り込んだデータから当該内燃機関を仮想した過渡特性モデルを生成する手段とを備え、前記過渡特性モデルを生成する手段は、複数の前記制御因子のそれぞれについて制御入力に対する出力結果を記録する手段と、この記録する手段により記録された前記制御入力に対する出力結果の遅延を補正する手段と、この補正する手段により遅延が補正された前記制御入力と出力結果との関係に基づき過渡エンジンモデルを作成する手段とを備えたところにある。

前記過渡エンジンモデルを作成する手段は、前記過渡エンジンモデルとしてｎ次回帰モデル式を生成する手段を備えることができる。

本発明の第二の観点は、過渡特性試験方法であって、本発明の特徴とするところは、内燃機関の複数の制御因子について、制御因子を変えながら過渡運転を行うステップと、この過渡運転の結果のデータを取り込むステップと、取り込んだデータから当該内燃機関を仮想した過渡特性モデルを生成するステップとを実行し、前記過渡特性モデルを生成するステップとして、複数の前記制御因子のそれぞれについて制御入力に対する出力結果を記録するステップと、この記録するステップにより記録された前記制御入力に対する出力結果の遅延を補正するステップと、この補正するステップにより遅延が補正された前記制御入力と出力結果との関係に基づき過渡エンジンモデルを作成するステップとを実行するところにある。

前記過渡エンジンモデルを作成するステップとして、前記過渡エンジンモデルとしてｎ次回帰モデル式を生成するステップを実行することができる。

なお、ｎ次回帰モデル式は、過渡エンジンモデルの一例であるので、多次元の応答曲面関数を作成する手法は、ニューラルネットワーク手法等、回帰モデル以外の予測モデルを応用してもよい。したがって、本発明の適用範囲をｎ次回帰モデル式に限定するものではない。

本発明によれば、エンジンの過渡試験の時間を短縮することができる。これにより、エンジン開発の時間を短縮することができる。

図１は本発明の実施の形態のシステム構成を示す図である。図２はシステム全体の動作を示すフローチャートである。図３は過渡エンジンモデル作成のステップを説明するフローチャートである。図１の１０は実機過渡試験装置であり、１１はＥＣＵ（実機）、１２はＥＣＵ１１によって制御されるエンジン（実機）、１３はエンジン１２のクランクシャフトの回転速度およびトルクを検出する回転検出器、１４は回転検出器１３から出力される回転速度およびエンジン１２の排ガス、煙、その他（燃費等）を計測する計測部である。また、１は本発明の特徴である仮想エンジン試験装置であり、２はモデル作成部、３は仮想ＥＣＵ、４は制御値修正部、５は過渡エンジンモデルである。また、６は当該過渡試験を実施するオペレータが利用するオペレータ端末である。

すなわち、本発明実施例は、図１に示すように、過渡特性試験装置であって、本実施例の特徴とするところは、内燃機関の複数の制御因子について、制御因子を変えながら過渡運転を行うＥＣＵ１１と、この過渡運転の結果のデータを取り込む計測部１４と、取り込んだデータから当該内燃機関を仮想した過渡特性モデルを生成するモデル作成部２とを備え、モデル作成部２は、複数の前記制御因子のそれぞれについて制御入力に対する出力結果を記録する手段と、この記録する手段により記録された前記制御入力に対する出力結果の遅延を補正する手段と、この補正する手段により遅延が補正された前記制御入力と出力結果との関係に基づき過渡エンジンモデル５を作成する手段とを備えたところにある。モデル作成部２は、前記過渡エンジンモデル５としてｎ次回帰モデル式を生成する手段を備える。

また、本実施例は、図２および図３に示すように、内燃機関の複数の制御因子について、制御因子を変えながら過渡運転を行うステップ（Ｓ１）と、この過渡運転の結果のデータを取り込むステップ（Ｓ２）と、取り込んだデータから当該内燃機関を仮想した過渡特性モデルを生成するステップ（Ｓ４）とを実行し、前記過渡特性モデルを生成するステップ（Ｓ４）として、複数の前記制御因子のそれぞれについて制御入力に対する出力結果を記録するステップ（Ｓ２）と、この記録するステップにより記録された前記制御入力に対する出力結果の遅延を補正するステップ（Ｓ４１、Ｓ４２）と、この補正するステップにより遅延が補正された前記制御入力と出力結果との関係に基づき過渡エンジンモデル５を作成するステップ（Ｓ４３）とを実行するところにある。過渡エンジンモデル５を作成するステップ（Ｓ４３）として、ｎ次回帰モデル式を生成するステップを実行する。

また、本実施例は、図２に示すように、過渡エンジンモデル５に制御値を与える制御手段を仮想ＥＣＵ３として仮想ＥＣＵ３から与えられる制御値に基づいて前記仮想エンジンのシミュレーションを実行してその結果を出力するステップ（Ｓ５）と、前記シミュレーションの実行により、過渡状態のエンジンに要求される性能目標を満足する結果が得られると、仮想ＥＣＵ３の制御値を用いて実機エンジンで過渡試験を行うステップ（Ｓ１）とを実行する。また、過渡エンジンモデル５によって得られた制御値を実機のエンジン１２に与えて過渡試験を行って要求される過渡性能目標が満足されるかを確認するステップ（Ｓ３）と、前記確認するステップにより要求される過渡性能目標が満足された場合に、エンジン１２を制御する制御回路の制御ソフトウェアを作成するステップ（Ｓ６）とを実行する。

ここで、過渡状態におけるデータ取得例を図４を参照して説明する。図４に示すように、回転速度（一点鎖線）、トルク（実線）が秒単位で変化する過渡運転を実施する。このときＥＣＵ１１の制御因子は、破線のようにエンジン１２に与えられる。これらの回転速度、トルク、制御因子をそれぞれ記録して表示したものが図４に示すグラフである。また、制御因子の変化と、回転速度、トルクの変化との間に、遅延がある場合には、これを補正して記録表示することができる。これにより、制御因子の変化に対応する回転速度、トルクの変化を明示することができる。

なお、制御入力と出力結果との間の遅延を補正する手法の一例を図５を参照して説明する。図５は遅延補正の実施例を示す図である。ＥＧＲ制御値に、故意に外乱を与えるために、テストパターンを挿入する。この外乱の影響が煙の量の顕著な変化となってｔ時間後に現れる。これにより、ＥＧＲ制御値と煙量との間にはｔ時間の遅延があることがかわるので、これを補正することにより取得したデータの遅延を補正することができる。

この補正により入力データと出力データとの時間的な対応関係をとることができるので、制御入力と出力との関係からこの関係を表す数式モデルが作成できる。例えば、このようにして得られたデータを用いて過渡エンジンモデル５として、式（１）のようなｎ次回帰モデル式が作成される。

ここで、ＥＧＲ制御値、ＶＧＴ制御値、煙量を過渡状態で測定し、その測定結果に基づき過渡エンジンモデル５を作成する例を図６および図７を参照して説明する。図６および図７はｘ軸にＥＧＲ制御値をとり、ｙ軸にＶＧＴ制御値をとり、ｚ軸に煙量をとった座標系であり、図６は座標系に並べられた各パラメータ毎の時系列データを示す図である。図７は応答曲面の一例を示す図である。

図３に示す手順により、回転数、トルク、ＥＧＲ制御値、ＶＧＴ制御値をそれぞれパラメータとして過渡運転を実施する（Ｓ１）。これにより各パラメータ毎の時系列データを取得する（Ｓ２）。取得した各パラメータ毎の時系列データ間の遅延を補正して時間軸を揃える（Ｓ４２）。図６に示すように、時間軸を揃えた各パラメータ毎の時系列データを座標系上に点として並べる。このように点として表された時系列データに対し、周知の統計処理を施すことにより、図７に示すような応答曲面を得ることができる。このようにして得られた応答曲面を関数として表現したものが式（２）である（Ｓ４３）。

このようにして算出された式（２）を過渡エンジンモデル５として仮想エンジン試験装置１によりシミュレーションが実行される。

また、図１に示す実機過渡試験装置１０と仮想エンジン試験装置１とは、隣接して設ける必要はなく、例えば、ＬＡＮを用いて実機過渡試験装置１０と仮想エンジン試験装置１とを接続してもよい。さらに、仮想エンジン試験装置１とオペレータ端末６とを隣接して設ける必要はなく、これらもＬＡＮを用いて接続することができる。

本発明によれば、エンジンの過渡試験の時間を短縮することができる。これにより、エンジン開発の時間を短縮することができる。

本実施例のシステムの全体構成図。 本実施例のシステムの動作を示すフローチャート。 本実施例の過渡エンジンモデル作成手順を示すフローチャート。 過渡状態におけるデータ取得例を説明するための図。 遅延補正を説明するための図。 座標系に並べられた各パラメータ毎の時系列データを示す図。 応答曲面の一例を示す図。

符号の説明

１ 仮想エンジン試験装置
２ モデル作成部
３ 仮想ＥＣＵ
４ 制御値修正部
５ 過渡エンジンモデル
６ オペレータ端末
１０ 実機過渡試験装置
１１ ＥＣＵ
１２ エンジン
１３ 回転検出器
１４ 計測部

Claims (4)

1. 内燃機関の複数の制御因子について、制御因子を変えながら過渡運転を行う手段と、
   この過渡運転の結果のデータを取り込む手段と、
   取り込んだデータから当該内燃機関を仮想した過渡特性モデルを生成する手段と
   を備え、
   前記過渡特性モデルを生成する手段は、
   複数の前記制御因子のそれぞれについて制御入力に対する出力結果を記録する手段と、
   この記録する手段により記録された前記制御入力に対する出力結果の遅延を補正する手段と、
   この補正する手段により遅延が補正された前記制御入力と出力結果との関係に基づき過渡エンジンモデルを作成する手段と
   を備えたことを特徴とする過渡特性試験装置。
2. 前記過渡エンジンモデルを作成する手段は、前記過渡エンジンモデルとしてｎ次回帰モデル式を生成する手段を備えた請求項１記載の過渡特性試験装置。
3. 内燃機関の複数の制御因子について、制御因子を変えながら過渡運転を行うステップと、
   この過渡運転の結果のデータを取り込むステップと、
   取り込んだデータから当該内燃機関を仮想した過渡特性モデルを生成するステップと
   を実行し、
   前記過渡特性モデルを生成するステップとして、
   複数の前記制御因子のそれぞれについて制御入力に対する出力結果を記録するステップと、
   この記録するステップにより記録された前記制御入力に対する出力結果の遅延を補正するステップと、
   この補正するステップにより遅延が補正された前記制御入力と出力結果との関係に基づき過渡エンジンモデルを作成するステップと
   を実行することを特徴とする過渡特性試験方法。
4. 前記過渡エンジンモデルを作成するステップとして、前記過渡エンジンモデルとしてｎ次回帰モデル式を生成するステップを実行する請求項３記載の過渡特性試験方法。

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