JP2007321697A - 排気ガス組成予測装置、排気ガス組成予測方法、及び排気ガス組成予測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】実験及びモデルを効果的に併用することによって、排気ガス組成を精度良く予測することが可能な排気ガス組成予測装置を提供する。
【解決手段】上記の排気ガス組成予測装置は、運転条件を絞り込んで実験を行い、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得すると共に、モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する。そして、実測排気ガス温度と第１の排気ガス組成とに基づいて熱平衡に達する第２の排気ガス組成を算出し、実測排気ガス組成と第２の排気ガス組成とに基づいて、全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する。このように排気ガス組成予測装置は、実験と予測モデルとを効果的に併用し、熱平衡の考え方を取り入れて、排気ガス組成を予測する。よって、実験点数及び計算時間を効果的に抑制しつつ、排気ガス組成を精度良く予測することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの組成を予測する排気ガス組成予測装置に関する。

従来から、モデルなどを用いて排気ガスの組成を予測する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、燃焼反応式に基づいて排気ガス組成を推定する技術が記載されている。また、特許文献２には、燃焼シミュレーションを行う技術が記載されている。

特開平１０−２１２９７９号公報 特開２００４−２３９１２９号公報

上記した特許文献１及び２に記載された技術では、計算時間の兼ね合いなどから、平易な反応式を用いて計算を行っていたため、主にＨ_２０、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２等の組成しか得ることができなかった。言い換えると、排気ガス規制等の対象となっているＴＨＣ（未燃炭化水素）やＮＯ_ｘ（窒素酸化物）等の組成を予測することができなかった。

ここで、上記したモデルなどに熱平衡の考え方を取り入れた場合には、ＴＨＣやＮＯ_ｘなどを得ることができると考えられる。しかしながら、この場合には、計算時間刻みごとに多数の平衡反応式に対しての平衡計算、即ち収束計算を行う必要があり、計算時間が長くなってしまうという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、実験及びモデルを効果的に併用することによって、排気ガス組成を精度良く予測することが可能な排気ガス組成予測装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関から排出される排気ガスの組成を予測する排気ガス組成予測装置は、運転条件を絞り込んで実験を行い、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得する実測値取得手段と、モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する第１の排気ガス組成算出手段と、前記実測排気ガス温度と前記第１の排気ガス組成とに基づいて、熱平衡に達する際の第２の排気ガス組成を算出する第２の排気ガス組成算出手段と、前記実測排気ガス組成と前記第２の排気ガス組成とに基づいて、前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する第３の排気ガス組成算出手段と、を備えることを特徴とする。

上記の排気ガス組成予測装置は、内燃機関から排出される排気ガスの組成を予測する装である。排気ガス組成予測装置は、運転条件を絞り込んで実験を行い、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得すると共に、モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する。そして、実測排気ガス温度と第１の排気ガス組成とに基づいて、熱平衡に達する際の第２の排気ガス組成を算出し、実測排気ガス組成と第２の排気ガス組成とに基づいて、全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する。このように排気ガス組成予測装置は、実験と予測モデルとを効果的に併用し、熱平衡の考え方を取り入れて、排気ガス組成を予測する。これにより、少ない実験点数及び少ない計算時間によって、完全燃焼に基づいたモデル計算では得ることが困難であるＴＨＣやＮＯ_ｘなどの排気ガス組成を予測することができる。したがって、上記した排気ガス組成予測装置によれば、実験点数及び計算時間を効果的に抑制することができると共に、排気ガス組成を精度良く予測することができる。

上記の排気ガス組成予測装置の一態様では、前記実測値取得手段は、実験計画法に基づいて前記運転条件を絞り込む。これにより、適切に実験点数を減少させることができる。

上記の排気ガス組成予測装置の他の一態様では、前記第２の排気ガス組成算出手段は、前記実測排気ガス温度に基づいて、前記全ての運転条件に対応する予測排気ガス温度を算出し、前記予測排気ガス温度において熱平衡に達する前記第２の排気ガス組成を算出する。このように予測排気ガス温度を用いることにより、実験点数を減少させても、精度良く排気ガス組成を算出することが可能となる。

好ましくは、前記第３の排気ガス組成算出手段は、前記実測排気ガス組成に対する前記第２の排気ガス組成の誤差を算出すると共に、前記誤差と前記全ての運転条件との関係を求め、求められた前記関係に基づいて前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出することができる。

本発明の他の観点では、内燃機関から排出される排気ガスの組成を予測する排気ガス組成予測方法は、運転条件を絞り込んで行われた実験から、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得する実測値取得工程と、モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する第１の排気ガス組成算出工程と、前記実測排気ガス温度と前記第１の排気ガス組成とに基づいて、熱平衡に達する際の第２の排気ガス組成を算出する第２の排気ガス組成算出工程と、前記実測排気ガス組成と前記第２の排気ガス組成とに基づいて、前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する第３の排気ガス組成算出工程と、を備える。

本発明の更に他の観点では、コンピュータによって実行される排気ガス組成予測プログラムは、運転条件を絞り込んで行われた実験から、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得する実測値取得手段、モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する第１の排気ガス組成算出手段、前記実測排気ガス温度と前記第１の排気ガス組成とに基づいて、熱平衡に達する際の第２の排気ガス組成を算出する第２の排気ガス組成算出手段、前記実測排気ガス組成と前記第２の排気ガス組成とに基づいて、前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する第３の排気ガス組成算出手段、として前記コンピュータを機能させる。

上記した排気ガス組成予測方法及び排気ガス組成予測プログラムによっても、実験点数及び計算時間の効果的に抑制しつつ、排気ガス組成を精度良く予測することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［システム構成］
まず、本発明の実施形態に係る排気ガス組成予測システムについて説明する。

図１は、本実施例に係る排気ガス組成予測システム１０の構成を概略図である。排気ガス組成予測システム１０は、吸気通路１と、内燃機関２と、排気通路３と、排気ガス計測装置４と、排気ガス組成予測装置５と、を備える。なお、図１では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。

内燃機関２は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどによって構成される。内燃機関２は、吸気通路１から供給される吸気と、燃料噴射弁（不図示）より供給される燃料とを混合した混合気をシリンダ内で燃焼させることによって動力を発生させる。内燃機関２における燃料によって発生した排気ガスは、排気通路３に排出される。

排気ガス計測装置４は、排気通路３に接続されており、排気ガスが導入される。排気ガス計測装置４は、主に、排気ガスの温度と排気ガス組成を計測し、計測した値に対応する信号Ｓ４を排気ガス組成予測装置５に供給する。

排気ガス組成予測装置５は、ＣＰＵ５ａ、ＲＯＭ５ｂ、ＲＡＭ５ｃなどを有して構成される。排気ガス組成予測装置５は、排気ガス計測装置４から供給される排気ガスの計測値（信号Ｓ４に対応する）を利用し、内燃機関２のシリンダ内で生じている現象を予測するモデル（以下では、単に「予測モデル」と呼ぶ。）を実行することによって、排気ガスの組成を予測する。例えば、排気ガス組成予測装置５は、ＰＣ（Personal Computer）などによって構成することができる。

［排気ガス組成予測方法］
ここで、上記の排気ガス組成予測装置５が実行する、排気ガス組成予測方法の基本概念について説明する。

本実施形態では、まず、実験計画法に基づいて運転条件を絞り込んで内燃機関２の運転を実行し、排気ガス計測装置４より計測値を得る。具体的には、排気ガス組成予測装置５は、排気ガス計測装置４から、排気ガス温度（以下、「実測排気ガス温度」と呼ぶ。）及び排気ガス組成（以下、「実測排気ガス組成」と呼ぶ。）を取得する。そして、排気ガス組成予測装置５は、取得された実測排気ガス温度に基づいて、全ての運転条件に対応する排気ガス温度（以下、「予測排気ガス温度」と呼ぶ。）を算出する。例えば、全ての運転条件に対する予測排気ガス温度を表す数式を作成する。

また、排気ガス組成予測装置５は、排気ガス計測装置４から取得された計測値に基づいて上記した処理を行うと共に、予測モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する排気ガス組成を算出する。具体的には、全ての運転条件に対する排気弁閉弁時の排気ガス組成（以下、「第１の排気ガス組成」と呼ぶ。）を算出する。この場合には、完全燃焼によって生成される排気ガスの組成を算出する。したがって、Ｈ_２０、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２などの排気ガス組成が予測され、ＴＨＣ（未燃炭化水素）やＮＯ_ｘ（窒素酸化物）などの排気ガス組成は予測されない。次に、排気ガス組成予測装置５は、前述した予測排気ガス温度において熱平衡に達する排気ガス組成（以下、「第２の排気ガス組成」と呼ぶ。）を算出する。この際、排気ガス組成の初期値として第１の排気ガス組成を用いる。この場合には、熱平衡が考慮に入れられるため、完全燃焼の考え方のみでは得られないＴＨＣやＮＯ_ｘなどの排気ガス組成を予測することができる。

次に、排気ガス組成予測装置５は、前述した実測排気ガス組成と、第２の排気ガス組成との誤差（以下、「排気ガス組成予測誤差」と呼ぶ。）を表す数式を作成する。具体的には、全ての運転条件に対して排気ガス組成予測誤差を表す数式を作成する。そして、排気ガス組成予測装置５は、作成された数式より得られる排気ガス組成予測誤差を、前述した第２の排気ガス組成に対して加算することによって、全ての運転条件に対応する排気ガス組成（以下、「第３の排気ガス組成」と呼ぶ。）を算出する。

このように、本実施形態に係る排気ガス組成予測装置５は、実験計画法に基づいた実験と予測モデルとを効果的に併用し、熱平衡の考え方を取り入れて、排気ガス組成を予測する。これにより、少ない実験点数及び少ない計算時間によって、ＴＨＣやＮＯ_ｘなどの排気ガス組成を予測することができる。即ち、本実施形態に係る排気ガス組成予測装置５によれば、実験点数及び計算時間を効果的に抑制しつつ、排気ガス組成を精度良く予測することができる。

［排気ガス組成予測処理］
次に、本実施形態に係る排気ガス組成予測処理について説明する。

図２は、排気ガス組成予測処理を示すフローチャートである。本処理は、内燃機関２から排出される排気ガスの組成を予測するための処理であり、前述した排気ガス組成予測装置５によって実行される。

ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４の処理は、実験によって得られた計測値に基づいて実行される処理であり、ステップＳ１０５、Ｓ１０６の処理は予測モデルを用いて実行される処理である。そして、ステップＳ１０７〜Ｓ１１２の処理は、実験によって得られた計測値と予測モデルより得られた値とを用いて実行される処理である。

まず、ステップＳ１０１では、排気ガス組成予測装置５は、実験計画法を用いて、計測を行う運転条件を絞り込む。運転条件のパラメータとしては、内燃機関２の回転数や、点火時期や、負荷などが用いられる。ステップＳ１０１では、このような運転条件のパラメータごとに計測条件を絞り込む。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、排気ガス組成予測装置５は、排気ガス計測装置４から、ステップＳ１０１において絞り込まれた運転条件で内燃機関２の運転を実行したときの計測値を得る。具体的には、排気ガス組成予測装置５は、排気ガス計測装置４から、実測排気ガス温度Ｔ_ｅｘ,ｍと実測排気ガス組成ｘ_ｉ,ｍとを取得する。そして、処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、排気ガス組成予測装置５は、全ての運転条件に対応する予測排気ガス温度を表す数式を作成する。具体的には、排気ガス組成予測装置５は、ステップＳ１０２で取得された実測排気ガス温度Ｔ_ｅｘ,ｍに基づいて、全ての運転条件と排気ガス温度Ｔ_ｅｘとの関係を表す数式（統計モデル）を作成する。図３は、作成された数式を示すグラフの一例である。図３は、横軸に運転条件（運転条件におけるパラメータの１つ）を示し、縦軸に排気ガス温度Ｔ_ｅｘを示している。この場合、符号３１で示す白丸は実測排気ガス温度を示しており、曲線３０は作成された数式に対応するグラフを示している。曲線３０で示すグラフは、実測排気ガス温度をフィッティング等することによって作成される。なお、図３で示すグラフは、運転条件のパラメータに対応するだけの数が存在する。

図２に戻って説明を行う。上記したステップＳ１０３の処理が終了すると、処理はステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、排気ガス組成予測装置５は、ステップＳ１０３で作成された数式に基づいて予測排気ガス温度Ｔ_ｅｘ,ｐを算出する。そして、処理はステップＳ１０７に進む。

一方、ステップＳ１０５では、排気ガス組成予測装置５は、予測モデルに対して設定すべき運転条件（計算条件）を決定する。この場合、排気ガス組成予測装置５は、全ての運転条件に設定して計算を行う。そして、処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、排気ガス組成予測装置５は、予測モデルを用いて、第１の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｐを算出する。具体的には、予測モデルは、残留ガス量や、回転数や、バルブタイミングなどを入力値として取得し、シリンダ内で生じている現象を予測する。詳しくは、予測モデルにおいては、入力された値より燃料速度を決定し、決定された燃料速度に基づいて第１の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｐを算出する。なお、この場合には完全燃焼における排気ガス組成を算出しているため、Ｈ_２０、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２などの排気ガス組成が予測され、ＴＨＣやＮＯ_ｘなどの排気ガス組成は予測されない。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、排気ガス組成予測装置５は、ステップＳ１０４で算出された予測排気ガス温度Ｔ_ｅｘ,ｐで、各組成の熱平衡式において平衡が成立するか否かを判定する。この場合、排気ガス組成予測装置５は、ステップＳ１０６で算出された第１の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｐを排気ガス組成における初期値として用いる。平衡が成立している場合（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０９に進み、平衡が成立していない場合（ステップＳ１０７；Ｎｏ）、処理はステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では、熱平衡が成立していないため、排気ガス組成予測装置５は、第１の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｐを修正する。そして、ステップＳ１０７の判定を再度行う。この場合、熱平衡が成立するまで、第１の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｐを修正する。

一方、ステップＳ１０９では、熱平衡が成立しているため、排気ガス組成予測装置５は、熱平衡に達した際の排気ガス組成を第２の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｑとして決定する。この第２の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｑは、熱平衡に達するまで修正した後の第１の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｐに対応する。上記したように熱平衡を考慮に入れて排気ガス組成を予測することによって、ＴＨＣやＮＯ_ｘなどの排気ガス組成も予測される。即ち、第２の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｑには、ＴＨＣやＮＯ_ｘなどの排気ガス組成が含まれている。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、排気ガス組成予測装置５は、排気ガス組成予測誤差Δｘ_iを算出する。具体的には、ステップＳ１０９で得られた第２の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｑから、ステップＳ１０２で得られた実測排気ガス組成ｘ_ｉ,ｍを減算することによって、排気ガス組成予測誤差Δｘ_iを得る（式（１）参照）。そして、処理はステップＳ１１１に進む。

Δｘ_i＝ｘ_ｉ,ｑ−ｘ_ｉ,ｍ 式（１）
ステップＳ１１１では、排気ガス組成予測装置５は、排気ガス組成予測誤差Δｘ_iを表す数式を作成する。具体的には、全ての運転条件と排気ガス組成予測誤差Δｘ_iとの関係を表す数式を作成する。図４は、作成された数式の一例を示すグラフである。図４は、横軸に運転条件（運転条件におけるパラメータの１つ）を示し、縦軸に排気ガス組成予測誤差Δｘ_iを示している。この場合、符号４１で示す白丸はステップＳ１１０で実際に算出された排気ガス組成予測誤差Δｘ_iを示しており、曲線４０は作成された数式に対応するグラフを示している。曲線４０で示すグラフは、排気ガス組成予測誤差Δｘ_iをフィッティング等することによって作成される。なお、図４で示すグラフは、運転条件のパラメータに対応するだけの数が存在する。

図２に戻って説明を行う。上記したステップＳ１１１の処理が終了すると、処理はステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２では、排気ガス組成予測装置５は、全運転条件に対する第３の排気ガス組成ｘ_ｉを算出する。具体的には、排気ガス組成予測装置５は、ステップＳ１１１で作成された数式から運転条件に対応する排気ガス組成予測誤差Δｘ_iを得て、これを前述した第２の排気ガス組成ｘ_ｉ,ｑに対して加算することによって、全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成ｘ_ｉを算出する（式（２）参照）。そして、処理は当該フローを抜ける。

ｘ_i＝ｘ_ｉ,ｑ＋Δｘ_ｉ 式（２）
このように、排気ガス組成予測処理によれば、実験計画法に基づいた実験と予測モデルとを効果的に併用し、熱平衡の考え方を取り入れているため、少ない実験点数及び少ない計算時間によって、ＴＨＣやＮＯ_ｘなどの排気ガス組成を得ることができる。したがって、本実施形態に係る排気ガス組成予測処理によれば、実験点数及び計算時間を効果的に抑制しつつ、排気ガス組成を精度良く予測することができる。

本発明の本実施形態に係る排気ガス組成予測システムの構成を示す概略図である。 本実施形態に係る排気ガス組成予測処理を示すフローチャーである。 予測排気ガス温度を表す数式を説明するための図である。 排気ガス組成予測誤差を表す数式を説明するための図である。

符号の説明

１ 吸気通路
２ 内燃機関
３ 排気通路
４ 排気ガス計測装置
５ 排気ガス組成予測装置
１０ 排気ガス組成予測システム

Claims (6)

1. 内燃機関から排出される排気ガスの組成を予測する排気ガス組成予測装置であって、
   運転条件を絞り込んで実験を行い、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得する実測値取得手段と、
   モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する第１の排気ガス組成算出手段と、
   前記実測排気ガス温度と前記第１の排気ガス組成とに基づいて、熱平衡に達する際の第２の排気ガス組成を算出する第２の排気ガス組成算出手段と、
   前記実測排気ガス組成と前記第２の排気ガス組成とに基づいて、前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する第３の排気ガス組成算出手段と、を備えることを特徴とする排気ガス組成予測装置。
2. 前記実測値取得手段は、実験計画法に基づいて前記運転条件を絞り込むことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス予測装置。
3. 前記第２の排気ガス組成算出手段は、前記実測排気ガス温度に基づいて、前記全ての運転条件に対応する予測排気ガス温度を算出し、前記予測排気ガス温度において熱平衡に達する前記第２の排気ガス組成を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス組成予測装置。
4. 前記第３の排気ガス組成算出手段は、前記実測排気ガス組成に対する前記第２の排気ガス組成の誤差を算出すると共に、前記誤差と前記全ての運転条件との関係を求め、求められた前記関係に基づいて前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排気ガス組成予測装置。
5. 内燃機関から排出される排気ガスの組成を予測する排気ガス組成予測方法であって、
   運転条件を絞り込んで行われた実験から、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得する実測値取得工程と、
   モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する第１の排気ガス組成算出工程と、
   前記実測排気ガス温度と前記第１の排気ガス組成とに基づいて、熱平衡に達する際の第２の排気ガス組成を算出する第２の排気ガス組成算出工程と、
   前記実測排気ガス組成と前記第２の排気ガス組成とに基づいて、前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する第３の排気ガス組成算出工程と、を備えることを特徴とする排気ガス組成予測方法。
6. コンピュータによって実行される排気ガス組成予測プログラムであって、
   運転条件を絞り込んで行われた実験から、実測排気ガス温度及び実測排気ガス組成を取得する実測値取得手段、
   モデルに基づいて、全ての運転条件に対応する第１の排気ガス組成を算出する第１の排気ガス組成算出手段、
   前記実測排気ガス温度と前記第１の排気ガス組成とに基づいて、熱平衡に達する際の第２の排気ガス組成を算出する第２の排気ガス組成算出手段、
   前記実測排気ガス組成と前記第２の排気ガス組成とに基づいて、前記全ての運転条件に対応する第３の排気ガス組成を算出する第３の排気ガス組成算出手段、として前記コンピュータを機能させることを特徴とする排気ガス組成予測プログラム。

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