JP2007003402A - 内燃機関の適合システム - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の特性に影響を与える制御パラメータとして内燃機関の状態パラメータに応じて最適なものをできるだけ短い時間で求めることにある。
【解決手段】 内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータとして内燃機関の状態パラメータに応じて最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する複数の適合装置２Ａ〜２Ｄと、各適合装置にて実行される適合試験全てを個別に管理する管理装置１とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の適合システムに関する。

例えば、内燃機関から出力されるトルク（以下「出力トルク」という）に影響を与えるパラメータとして、燃焼室内の燃料に点火栓によって点火するタイミング（以下「点火時期」という）がある。すなわち、点火時期に応じて出力トルクの値が異なる。そして、点火時期の中には、出力トルクの値を最大とすることができる点火時期（以下「最大トルク点火時期」という）がある。この最大トルク点火時期は、例えば、機関回転数や機関負荷によって異なる。したがって、機関回転数や機関負荷に係わらず常に出力トルクを最大とするためには、機関回転数や機関負荷毎の最大トルク点火時期を求める試験（以下「適合試験」という）を行い、こうして求めた最大トルク点火時期に基づいて機関回転数と機関負荷とを関数とした最大トルク点火時期のマップを作成し、内燃機関の運転中、このマップから機関回転数と機関負荷とに応じて最大トルク点火時期を読み出し、この読み出された最大トルク点火時期に点火時期を制御することが好ましい。こうした最大トルク点火時期を求める適合試験方法の一例が、特許文献１に開示されている。

ところで、特許文献１に開示されている適合試験方法を利用して機関回転数と機関負荷とを関数とした最大トルク点火時期を求める場合、まず、機関回転数と機関負荷とをそれぞれ特定の機関回転数および機関負荷に固定し、この状態で最大トルク点火時期を求め、次いで、機関回転数と機関負荷との少なくとも一方を異なる値に変化させて固定し、この状態で最大トルク点火時期を求めるといった手順を予め定めた機関回転数と機関負荷との組合せの数だけ繰り返すことになる。

特開２００２−２０６４５６号公報 特開平９−５４０１９号公報 特開２００３−９９１２３号公報

ところで、複数の内燃機関に関して最大トルク点火時期のマップを作成する場合、内燃機関のタイプが同じであれば、理論的には、全ての内燃機関について最大トルク点火時期のマップは同じになるはずであるので、１台の内燃機関について適合試験を行って作成した最大トルク点火時期のマップを残りの内燃機関に適用可能なはずである。ところが、同じタイプであっても内燃機関の特性にはバラツキがあるので、実際には、複数の内燃機関に関して最大トルク点火時期のマップを作成するには、全ての内燃機関について適合試験を行う必要がある。しかしながら、こうした適合試験には非常に時間がかかるため、膨大な数の内燃機関に関して最大トルク点火時期のマップを求めるとなると、膨大な時間がかかることになる。

このことは、広くは、出力トルクのような内燃機関の特性に影響を与える点火時期のような制御パラメータとして最適なものを、機関回転数や機関負荷のような状態パラメータ毎に求める場合にも当てはまる。こうした事情に鑑み、本発明の目的は、内燃機関の特性に影響を与える制御パラメータとして内燃機関の状態パラメータに応じて最適なものをできるだけ短い時間で求めることにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータとして内燃機関の状態パラメータに応じて最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する複数の適合装置と、各適合装置にて実行される適合試験全てを個別に管理する管理装置とを具備する。

２番目の発明では、１番目の発明において、上記管理装置が各適合装置にて実行される適合試験全てを個別に制御する制御装置と、各適合装置にて実行された適合試験によって求められた最適制御パラメータを蓄積するデータ蓄積装置とを有する。

３番目の発明では、１または２番目の発明において、各適合装置にて実行される適合試験が内燃機関の少なくとも部分的に異なる状態パラメータ領域毎に行われる。
４番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、複数の適合装置にて適合試験が同時に実行される。

５番目の発明では、３または４番目の発明において、内燃機関の少なくとも部分的に異なる状態パラメータ領域毎に各適合装置にて適合試験が実行されたときに各適合装置にて求められた最適制御パラメータの集合間で状態パラメータに関して整合がとれるように各適合装置にて求められた最適制御パラメータが補正される。

６番目の発明では、１〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、全ての適合装置にて同じ状態パラメータで適合試験が実行され、各適合装置にて求められた最適制御パラメータの平均値が算出され、該算出された最適制御パラメータの平均値から最もずれた最適制御パラメータの値と該最適制御パラメータの平均値との差だけ各適合装置にて求められた最適制御パラメータに誤差があるものとして該誤差が小さくなるように各適合装置にて求められた最適制御パラメータが補正される。

本発明によれば、複数の内燃機関に対して同じ適合試験を同時に行ったり、異なる適合試験を同時に行ったりすることができるので、適合システムで行うことができる適合試験の幅が広がり、結果として、内燃機関の特性に影響を与える制御パラメータとして内燃機関の状態パラメータに応じて最適なものをできるだけ短い時間で求めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に、本発明の適合システムの１つの実施形態を示した。本実施形態の適合システムは、内燃機関の特性に影響を与える制御パラメータとして最適なものを状態パラメータ毎に求めるいわゆる適合試験を行うものであって、１つの管理装置１と、４つの適合装置（例えば、いわゆるベンチであり、以下これを「ベンチ」という）２Ａ〜２Ｄとを具備する。

ここで、まず、適合試験について簡単に説明しておく。例えば、内燃機関の特性として、内燃機関から出力されるトルク（出力トルク）がある。この出力トルクは、例えば、燃焼室内に供給される燃料の量（以下「燃料噴射量」という）が同じ量であっても、燃焼室内の燃料に点火栓によって点火するタイミング（点火時期）によって異なる。このため、点火時期を或る特定の点火時期とすると、燃料噴射量が同じであっても、最も大きなトルクが内燃機関から出力されることになる。

また、このように出力トルクを最も大きくすることができる点火時期（最大トルク点火時期）は、例えば、機関回転数や機関負荷によって異なる。すなわち、機関回転数が異なれば、最大トルク点火時期も異なり、また、機関負荷が異なれば、最大トルク点火時期も異なる。したがって、機関回転数や機関負荷に係わらず、常に、出力トルクを最大トルクとするためには、点火時期を機関回転数や機関負荷に応じた最大トルク点火時期とする必要がある。

そこで、機関回転数と機関負荷とに応じた最大トルク点火時期を求める場合、機関回転数と機関負荷とをそれぞれ特定の値に維持した状態で、点火時期を変えて行き、そのときの出力トルクを測定する。こうした作業を所定の数の機関回転数と機関負荷との組合せ分だけ繰り返し行い、出力トルクをそれぞれ測定する。そして、機関回転数と機関負荷との組合せ毎に出力トルクが最大となる点火時期を最大トルク点火時期として記録する。このようにして機関回転数と機関負荷とに応じた最大トルク点火時期を求める試験を適合試験という。

ところで、管理装置１は、各ベンチ２Ａ〜２Ｄを別個に制御し管理することができる制御装置（例えば、いわゆるコンピュータであり、以下これを「管理用コンピュータ」という）３と、各ベンチにて行われる適合試験によって得られたデータを蓄積するためのデータ蓄積装置（例えば、いわゆるデータベースであり、以下これを「データベース」という）４とを有する。

また、各ベンチ２Ａ〜２Ｄは、それぞれ、試験対象となる内燃機関を設置して該内燃機関に適合試験を行う試験設備５Ａ〜５Ｄと、該試験設備における適合試験を制御するための制御装置（例えば、いわゆるコンピュータであり、以下これを「適合試験用コンピュータ」という）６Ａ〜６Ｄとを有する。

なお、管理用コンピュータ３とデータベース４と各適合試験用コンピュータ６Ａ〜６Ｄとは、いわゆるネットワークで接続されている。また、図示した例では、ベンチ２Ａ〜２Ｄは４つであるが、図示した例と同様にネットワークで接続されていれば、必要に応じて、これよりも少なくても多くてもよい。

このように、複数のベンチ２Ａ〜２Ｄを１つの管理用コンピュータ３でもって制御し管理することができれば、複数の内燃機関に対して同じ適合試験を同時に行ったり、異なる適合試験を同時に行ったりすることができるので、適合システムで行うことができる適合試験の幅が広がる。そして、結果として、適合試験にかかる時間を短くすることができる。

また、適合試験を同時に行えば、同じ環境条件（例えば、気温や気圧や湿度といった気象条件など）の下で各ベンチ２Ａ〜２Ｄからデータを得ることができる。したがって、例えば、複数の試験条件で適合試験を行ったデータの集合を得たい場合に各ベンチにそれぞれ異なる試験条件を割り当てて各試験条件でもって各ベンチから得られたデータを統合することによって全試験条件でのデータの集合を得ようとした場合、得られるデータの集合の信頼性が高いという利点がある。すなわち、各試験条件での適合試験を異なる時間帯に行った場合、各適合試験を行う際の適合システム周囲の環境条件が異なることがある。この場合には、各試験条件での適合試験から得られたデータ間で整合がとれていない可能性があり、得られたデータの集合の信頼性は低いと言える。これに対し、本実施形態では、各試験条件での適合試験を同じ時間帯に行えるので、得られたデータの集合の信頼性が高いことになる。

次に、上述した本実施形態の適合システムを利用した適合試験の一例について説明する。上述したように、本実施形態の適合システムを利用すれば、４つの内燃機関に関して異なる試験条件でもって同時に適合試験を行うことができる。そこで、本例では、まず、各ベンチ２Ａ〜２Ｄの試験設備５Ａ〜５Ｄにそれぞれ同じタイプの内燃機関を載せる。そして、或るベンチ（例えば、ベンチ２Ａ）では、図２（Ａ）に示されている領域Ａ（すなわち、機関回転数Ｎが比較的小さく且つ機関負荷Ｌも比較的小さい領域）内における所定の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとの組合せ毎に点火時期を変えつつ出力トルクを測定させる。また、別のベンチ（例えば、ベンチ２Ｂ）では、図２（Ｂ）に示されている領域Ｂ（すなわち、機関回転数Ｎが比較的大きく且つ機関負荷Ｌが比較的小さい領域）内における所定の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとの組合せ毎に点火時期を変えつつ出力トルクを測定させる。以下、同様に、さらに別のベンチ（例えば、ベンチ２Ｃ）では、図２（Ｃ）に示されている領域Ｃ（すなわち、機関回転数Ｎが比較的小さく且つ機関負荷Ｌが比較的大きい領域）内において、そして、さらに別のベンチ（例えば、ベンチ２Ｄ）では、図２（Ｄ）に示されている領域Ｄ（すなわち、機関回転数Ｎが比較的大きく且つ機関負荷Ｌが比較的大きい領域）内において、所定の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとの組合せ毎に点火時期を変えつつ出力トルクを測定させる。

別の言い方をすれば、本例では、適合試験において試験すべき機関回転数と機関負荷との組合せを含む全領域を複数の領域に分割し、これら分割した領域を各ベンチ２Ａ〜２Ｄに割り当て、それぞれの領域において各ベンチにて適合試験を行うことになる。

そして、こうして得られた出力トルクのデータに基づいて、最大トルク点火時期を求め、最終的には、機関回転数と機関負荷とを関数とした最大トルク点火時期のマップを作成する。

これによれば、内燃機関毎に機関回転数と機関負荷とで定義される領域全てで適合試験を行って最大トルク点火時期のマップを作成する場合よりも、短い時間で各内燃機関に対する最大トルク点火時期のマップを作成することができる。

ところで、上述した例では、機関回転数と機関負荷とで定義される領域を単純に４分割し、それぞれを各ベンチ２Ａ〜２Ｄに割り当てているが、図３に示したように、機関回転数と機関負荷とで定義される領域（以下「試験領域」という）を４分割するときに、分割された各試験領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが部分的に重なるように試験領域を分割してもよい。この場合、例えば、試験領域Ａと試験領域Ｂとが重なっている領域に関しては、２つのベンチから出力トルクのデータが得られることになる。ここで、これら２つのベンチから得られた出力トルクのデータが同じ機関回転数と機関負荷との組合せ毎に全く同じであれば、いずれか一方のデータに基づいて最大トルク点火時期を求めればよいが、実際には、これらデータ間には若干のずれが生じていることが多い。

ここで、一方のベンチから得られるデータがデータとして信頼性が高いことが分かっていれば、このベンチから得られたデータと他方のベンチから得られたデータとの差は、この他方のベンチから得られるデータの定常的な誤差ということになる。このことは、他方のベンチにおいて試験領域Ａと試験領域Ｂとが重なった領域以外の領域に関して得られるデータについても同じ誤差が生じているものと考えられる。

そこで、本例では、部分的に重なるように分割された試験領域を各ベンチ２Ａ〜２Ｄに割り当てて適合試験を行う場合、重なり合う試験領域において各ベンチから得られるデータが基準となるベンチ（すなわち、得られるデータの信頼性が高いと推定されるベンチ）から得られるデータに一致するように各ベンチから得られる全てのデータを補正する。これによれば、各ベンチから得られたデータを統合して作成されるマップの信頼性が高くなる。

次に、上述した実施形態における考え方を適用して、燃焼室内でのノッキングの発生を抑制しつつできるだけ大きなトルクを出力させることができる点火時期のマップの作成方法の例について説明する。

内燃機関の燃焼に関し、点火時期を早い時期にし過ぎると、燃焼室内でノッキングが発生することが知られている。ここで、最大トルク点火時期がこの燃焼室内でノッキングが発生し始める点火時期よりも早い時期であるときに、点火時期をこの最大トルク点火時期にしてしまうと、燃焼室内でノッキングが発生してしまうし、最大トルク点火時期がノッキングが発生し始める点火時期よりも遅い時期であっても、それに極めて近い点火時期であると、燃焼室内でノッキングが発生する可能性がある。

そこで、本例では、燃焼室内でノッキングが発生し始める点火時期よりも若干遅い点火時期を「ノック限界点火時期」として適合試験で求め、最大トルク点火時期がこのノック限界点火時期よりも遅い時期であるときには、最大トルク点火時期をそのときの点火時期とし、最大トルク点火時期がノック限界点火時期よりも早い時期であるときには、ノック限界点火時期をそのときの点火時期とする。これによれば、ノッキングの発生を抑制しつつできるだけ大きなトルクを出力させることができる。

最後に、このノッキングの発生を抑制しつつできるだけ大きなトルクを出力させることができる点火時期のマップの作成方法の具体的な例の１つを説明する。なお、以下の説明において、「Ｘ_i,j」は、ｍ個の試験条件のうちのｉ番目の条件で適合試験を行ったときのｊ番目のベンチから得られるノック限界点火時期のデータであり、「Ｙ_i,j」は、ｉ番目の条件で適合試験を行ったときのｊ番目のベンチから得られる最大トルク点火時期のデータである。

まず、各ベンチにてそれぞれ指定された試験条件で適合試験を行い、図４（Ａ）に示したように各点火時期ＳＡに対する出力トルクＴのデータを得る。そして、これらデータの中から、ノック限界点火時期Ｘ_i,jのデータと最大トルク点火時期Ｙ_i,jのデータとを選択する。次いで、下式（１）（２）に従って、同じ試験条件での各点火時期Ｘ_i,j、Ｙ_i,jの平均値Ｘ_i、Ｙ_iをそれぞれ算出する。
Ｘ_i＝（ΣＸ_i,j）／ｎ …（１）
Ｙ_i＝（ΣＹ_i,j）／ｎ …（２）
なお、ここで、「ｎ」は、各点火時期のデータの数である。

次いで、これら平均値Ｘ_i、Ｙ_iに基づいて、最小二乗法により、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとを関数としたノック限界点火時期の近似式Ｘ＝ｆ（Ｎ，Ｌ）と、同じく機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとを関数とした最大トルク点火時期の近似式Ｙ＝ｆ（Ｎ，Ｌ）とを作成する。なお、図４（Ｂ）には、機関負荷Ｌを一定の値として機関回転数Ｎを関数としたときの最大トルク点火時期の近似式Ｙ＝ｆ（Ｎ）を求める場合の概念図である。

一方、各ベンチから得られるノック限界点火時期Ｘ_i,jに関し、ｉ番目の試験条件で各ベンチから得られたデータ間のバラツキε_iを下式（３）に従って算出する。
ε_i＝ｍｉｎ（Ｘ_i,j）−Ｘ_i …（３）
ここで、「ｍｉｎ（Ｘ_i,j）」は、各ベンチから得られたノック限界点火時期Ｘ_i,jの中で最も小さい値を意味する。すなわち、この式によれば、ノック限界点火時期の平均値から小さい方（すなわち、遅い方）に最も大きくずれたノック限界点火時期と、ノック限界点火時期の平均値との差がバラツキεとされることになる。
なお、上式（３）に従って算出されるバラツキε_iは、零以上の値である。

また、このバラツキε_iを下式（４）に従って算出してもよい。
ε_i＝ｔ×√（（Ｘ_i,j−Ｘ_i）²／ｎ） …（４）
ここで、「ｔ」は、いわゆるｔ分布における信頼度を決定する係数である。
なお、上式（４）に従って算出されるバラツキε_iも、零以上の値である。

次いで、これらバラツキε_iに基づいて、最小二乗法により、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとを関数としたバラツキの近似式ε＝ｆ（Ｎ，Ｌ）を作成する。

そして、最終的に、ノック限界点火時期の近似式Ｘ＝ｆ（Ｎ，Ｌ）から得られる機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じたノック限界点火時期Ｘと、最大トルク点火時期の近似式Ｙ＝ｆ（Ｎ，Ｌ）から得られる機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じた最大トルク点火時期Ｙと、バラツキの近似式ε＝ｆ（Ｎ，Ｌ）から得られるバラツキεとに基づいて、各ベンチ間のバラツキを考慮すると共にノッキングの発生を抑制しつつできるだけ大きなトルクを出力させるための点火時期（以下「最適点火時期」という）のマップを機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとを関数として下式（５）の形で作成する。
ＭＡＰ（Ｎ，Ｌ）＝ｍｉｎ（Ｙ，（Ｘ−ε）） …（５）
なお、ここで、「ＭＡＰ（Ｎ，Ｌ）」は、最適点火時期であり、「ｍｉｎ（（Ｘ−ε），Ｙ）」は、ノック限界点火時期Ｘからバラツキεを引いて得られる点火時期（Ｘ−ε）と、最大トルク点火時期Ｙとのうち、小さい方の点火時期（すなわち、より遅い点火時期）を意味する。また、ノック限界点火時期Ｘからバラツキεを引いて得られる点火時期は、εが零でない限り、元のノック限界点火時期よりも遅い点火時期となる。

なお、上述した実施形態では、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとを関数として最大トルク点火時期のマップを作成する場合、或いは、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとを関数として最適点火時期のマップを作成する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるわけではなく、広くは、出力トルクのような内燃機関の特性（例えば、排気エミッションなど）に影響を与える点火時期のような制御パラメータ（例えば、空燃比など）として最適なものを、機関回転数や機関負荷のような状態パラメータ毎に求める場合にも適用可能である。

本発明の適合システムの実施形態を示した図である。 本発明の適合システムにて行われる適合試験の試験条件の割当て方の一例を示した図である。 図２に示した例とは異なる試験条件の割当て方の一例を示した図である。 （Ａ）は、得られたデータの中のノック限界点火時期Ｘ_i,jと最大トルク点火時期Ｙ_i,jとを示した図であり、（Ｂ）は、機関負荷Ｌを一定の値として機関回転数Ｎを関数としたときの最大トルク点火時期の近似式Ｙ＝ｆ（Ｎ）を求める場合の概念図である。

符号の説明

１ 管理装置
２Ａ〜２Ｄ ベンチ
３ 管理用コンピュータ
４ データベース
５Ａ〜５Ｄ 試験設備
６Ａ〜６Ｄ 適合試験用コンピュータ

Claims (6)

1. 内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータとして内燃機関の状態パラメータに応じて最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する複数の適合装置と、各適合装置にて実行される適合試験全てを個別に管理する管理装置とを具備することを特徴とする適合システム。
2. 上記管理装置が各適合装置にて実行される適合試験全てを個別に制御する制御装置と、各適合装置にて実行された適合試験によって求められた最適制御パラメータを蓄積するデータ蓄積装置とを有することを特徴とする請求項１に記載の適合システム。
3. 各適合装置にて実行される適合試験が内燃機関の少なくとも部分的に異なる状態パラメータ領域毎に行われることを特徴とする請求項１または２に記載の適合システム。
4. 複数の適合装置にて適合試験が同時に実行されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の適合システム。
5. 内燃機関の少なくとも部分的に異なる状態パラメータ領域毎に各適合装置にて適合試験が実行されたときに各適合装置にて求められた最適制御パラメータの集合間で状態パラメータに関して整合がとれるように各適合装置にて求められた最適制御パラメータが補正されることを特徴とする請求項３または４に記載の適合システム。
6. 全ての適合装置にて同じ状態パラメータで適合試験が実行され、各適合装置にて求められた最適制御パラメータの平均値が算出され、該算出された最適制御パラメータの平均値から最もずれた最適制御パラメータの値と該最適制御パラメータの平均値との差だけ各適合装置にて求められた最適制御パラメータに誤差があるものとして該誤差が小さくなるように各適合装置にて求められた最適制御パラメータが補正されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の適合システム。

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