JP2008031916A - 内燃機関の自着火予測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の自着火予測装置に関し、自着火の発生を高い精度で予測できるようにする。
【解決手段】内燃機関の運転条件を設定し、設定された運転条件下での筒内圧力及び筒内温度の変化をシミュレートする。また、設定された運転条件下での残留ガス割合を算出する。そして、シミュレートされた筒内圧力及び筒内温度の変化に基づいて自着火遅れ時間を求め、その逆数の積分によって自着火の発生を予測する。その際、自着火遅れ時間の計算に用いるパラメータBの値を筒内温度と残留ガス割合とに応じて設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の自着火予測装置に関し、詳しくは、自着火遅れ時間の逆数の積分式によって自着火の発生を予測する装置に関する。

内燃機関の自着火（ノック）の発生を机上で予測する方法として、例えば特許文献１に開示されているように、Livengood-Wu積分式を用いる方法が知られている。Livengood-Wu積分式は次の（１）式で表される。

（１）式中のfは自着火遅れ時間である。自着火遅れ時間fは次の（２）式に示すように、圧力pと温度Tの関数として表される。（２）式中のA、β、Eは実機データに合わせ込むべきパラメータである。

Livengood-Wu積分式を用いた自着火予測では、まず、内燃機関モデルを用いたシミュレーションによって筒内ガスの圧力pと温度Tの変化を予測する。そして、その予測値を（２）式に代入するとともに（１）式の左辺の積分を計算する。計算の結果、（１）式が成立するようなτが存在すれば自着火は発生し、左辺の積分値が１となった時点のτがノック点火時期となる。
特開２００４−３３２５８４号公報 特開２００６−２９３１３号公報

しかしながら、Livengood-Wu積分式を用いる方法は、ある程度のラフな予測は可能であるものの、それのみで自着火の発生やノック点火時期を判断できる程度には予測精度が高くない。つまり、自着火の発生を予測する手段としてのLivengood-Wu積分式には改良の余地がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、自着火の発生を高い精度で予測できるようにした内燃機関の自着火予測装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の自着火予測装置であって、
内燃機関の運転条件を設定する手段と、
設定された運転条件下での筒内圧力及び筒内温度の変化をシミュレートする手段と、
シミュレートされた筒内圧力及び筒内温度の変化に基づいて自着火遅れ時間を求め、その逆数の積分によって自着火の発生を予測する手段と、
前記自着火遅れ時間の計算に用いるパラメータの値をシミュレートされた筒内温度に応じて変化させる手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
筒内温度に対して複数の温度域が定められ、前記パラメータの値は前記温度域毎に設定されていることを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記温度域は、低温域、中温域及び高温域の三つに区分けされていることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
設定された運転条件下での残留ガス割合を算出する手段と、
前記パラメータのうちの少なくとも１つの値を算出された残留ガス割合に応じて設定する手段と、
をさらに備えることを特徴としている。

第５の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の自着火予測装置であって、
内燃機関の運転条件を設定する手段と、
設定された運転条件下での筒内圧力及び筒内温度の変化をシミュレートする手段と、
設定された運転条件下での残留ガス割合を算出する手段と、
シミュレートされた筒内圧力及び筒内温度の変化に基づいて自着火遅れ時間を求め、その逆数の積分によって自着火の発生を予測する手段と、
前記自着火遅れ時間の計算に用いるパラメータの値を算出された残留ガス割合に応じて設定する手段と、
を備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、自着火遅れ時間の計算に用いるパラメータの値を固定ではなく筒内温度に応じて変化させるので、実際の自着火遅れ時間の変化を正確にシミュレートすることが可能であり、自着火の発生を高い精度で予測することができる。

第２の発明によれば、筒内温度を複数の温度域に分けて温度域毎にパラメータの値を設定することにより、予測精度は確保しつつパラメータのチューニングに要する工数を削減することができる。

第３の発明によれば、温度域を低温域、中温域及び高温域の三つに区分けしてパラメータの値を設定することにより、少ないパラメータの設定数で高い予測精度を確保することができる。

第４の発明によれば、筒内温度に加えて残留ガス割合も考慮してパラメータの値を設定することにより、さらに高い精度で自着火の発生を予測することができる。

また、第５の発明によれば、自着火遅れ時間の計算に用いるパラメータの値を固定ではなく残留ガス割合に応じて設定するので、実際の自着火遅れ時間の変化をより正確にシミュレートすることが可能であり、自着火の発生を高い精度で予測することができる。

実施の形態１．
以下、図１乃至図４を参照して本発明の実施の形態１について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１としての内燃機関の自着火予測装置の構成を示す図である。自着火予測装置２には、内燃機関の運転条件（回転速度、負荷、バルブタイミング等）に関する各種情報が入力される。そして、自着火予測装置２からは、入力された運転条件下での自着火の発生の有無と、自着火が発生する場合にはノック点火時期とが予測結果として出力される。

自着火予測装置２は、運転条件設定部４、シミュレーション部６、自着火予測部８及びパラメータマップ１０から構成されている。運転条件設定部４は入力された情報を処理して運転条件として設定する。シミュレーション部６は、設定された運転条件下での筒内圧力及び筒内温度の変化を内燃機関のモデルを用いてシミュレートする。また、設定された運転条件下で筒内に残留するガスの割合を計算する。自着火予測部８は、シミュレーション部６によるシミュレーション結果に基づいて自着火の発生を予測し、また、自着火が発生する場合にはノック点火時期を算出する。

自着火予測部８による自着火の発生の予測方法は、次の通りである。下記の（３）式は自着火予測部８が自着火の発生の予測に使用する演算式であり、Livengood-Wu積分式を改良したものである。Livengood-Wu積分式との相違は、（３）式中にfaで示す自着火遅れ時間の計算式にある。

自着火遅れ時間faは次の（４）式で計算される。（４）式に示すように、自着火遅れ時間faは、（２）式に示すLivengood-Wu積分式の自着火遅れ時間fと同様、圧力pと温度Tの関数として表される。しかし、（４）式には（２）式にない係数Bが新たなパラメータとして含まれている。また、（２）式ではパラメータA、β、Eは固定値であったが、（４）式では各パラメータA_i、β_i、E_iは条件iによって変わる変数とされている。

（４）式における係数Bは、筒内に残留ガスが無いときの自着火遅れ時間に対する、筒内に残留ガスが有るときの自着火遅れ時間の比として定義される。図２に示すように、この係数Bは残留ガス割合によって、また、筒内温度によって異なった値をとる。残留ガス割合が多いほど係数Bは大きい値となる。また、筒内温度を低温域、中温域、高温域の三つの温度域に区分けした場合、係数Bは中温域において極大となり、その極大値は残留ガス割合が多いほど大きくなる。係数Bの値は、筒内温度と残留ガス割合に対応したマップデータとしてパラメータマップ１０に記憶されている。

他のパラメータA_i、β_i、E_iは、温度域毎にその値が設定されている。つまり、上記の条件iは筒内温度が属する温度域であり、筒内温度が低温域、中温域、高温域の三つの温度域の何れに属するかによってパラメータA_i、β_i、E_iが決まる。これらパラメータA_i、β_i、E_iの値は、温度域に対応したマップデータとしてパラメータマップ１０に記憶されている。

自着火予測部８は、シミュレーション部６でミュレートされた圧力pと温度Tの変化を（４）式に代入するとともに（３）式の左辺の積分を計算する。その際、自着火予測部８は、筒内温度と残留ガス割合を検索条件としてパラメータマップ１０からパラメータBを求め、また、筒内温度を検索条件としてパラメータマップ１０からパラメータA_i、β_i、E_iを求める。計算の結果、（３）式が成立するようなτが存在すれば自着火は発生すると予測され、左辺の積分値が１となった時点のτがノック点火時期として算出される。

以上説明した自着火の発生の予測方法によれば、自着火遅れ時間faの計算に用いるパラメータA_i、β_i、E_i、Bの値を固定ではなく筒内温度に応じて変化させるので、実際の自着火遅れ時間の変化を正確にシミュレートすることが可能であり、自着火の発生を高い精度で予測することができる。さらに、パラメータBの設定には筒内温度に加えて残留ガス割合も考慮されるので、自着火の発生の予測精度をより高めることができる。

また、パラメータA_i、β_i、E_iに関しては、筒内温度を低温域、中温域及び高温域の三つの温度域に分けて温度域毎に設定することで、予測精度は確保しつつパラメータA_i、β_i、E_iのチューニングに要する工数を削減することができるという利点もある。以下では、パラメータマップ１０に記憶されるマップデータを作成する際のパラメータA_i、β_i、E_iのチューニング方法について説明する。

パラメータA_i、β_i、E_iのチューニングは、内燃機関の実機を用いて図３のフローチャートに示す手順で実施される。最初のステップＳ２では、内燃機関の運転条件が設定される。図３に示す例では、内燃機関の運転条件として回転速度Ne、負荷KL、バルブタイミングVTが設定されている。次のステップＳ４では、設定された運転条件下で実際に内燃機関が運転され、筒内圧力pと筒内温度Tの履歴が計測される。

内燃機関の運転中に自着火が発生したときには、図４に示すように筒内圧力が急上昇する。ステップＳ６では、筒内圧力の変化から自着火の発生が検出され、筒内圧力が急上昇した時点が自着火の発生時期、つまり、ノック点火時期として取得される。また、そのときの筒内温度が自着火時の筒内温度として取得される。

次のステップＳ８では、筒内の残留ガス割合が計算される。残留ガス割合は、排気弁が閉じたときのシリンダ容積と筒内圧力とから計算することができる。

次のステップＳ１０では、自着火時の筒内温度と残留ガス割合とからパラメータBが決定される。パラメータBに関しては、パラメータA_i、β_i、E_iのチューニングに先立ち、筒内温度及び残留ガス割合に対応した実験データを予め取得しておく。実機を用いた実験を行うことで、図２に示すようなパラメータBと筒内温度及び残留ガス割合との関係を取得することができる。

最後のステップＳ１２では、ステップＳ４で計測された筒内圧力p及び筒内温度Tの履歴と、ステップＳ１０で得られたパラメータBの値とを用いて（４）式及び（３）式の計算が行われる。そして、計算で得られるノック点火時期τがステップＳ６で計測されたノック点火時期に一致するように、各パラメータA_i、β_i、E_iのチューニングが行われる。なお、チューニングすべきパラメータの数が３つであり、各パラメータは３つの温度域毎に設定されることから、以上説明した手順は少なくとも９回実施される必要がある。

実施の形態２．
次に、図５を参照して本発明の実施の形態２について説明する。

本発明の実施の形態２としての内燃機関の自着火予測装置は、実施の形態１とは自着火の発生の予測方法に相違がある。下記の（５）式は自着火予測部８が自着火の発生の予測に使用する演算式であり、Livengood-Wu積分式を改良したものである。Livengood-Wu積分式との相違は、（５）式中にfbで示す自着火遅れ時間の計算式にある。

自着火遅れ時間fbは次の（６）式で計算される。（６）式に示すように、自着火遅れ時間fbは圧力pと温度Tの関数として表され、Livengood-Wu積分式の自着火遅れ時間fの計算式にはない係数B_aveが新たなパラメータとして含まれている。なお、（６）式に含まれる他のパラメータA、β、Eは、実施の形態１とは異なり、筒内温度に依存しない固定値とされている。

（６）式における係数B_aveは、筒内に残留ガスが無いときの自着火遅れ時間に対する、筒内に残留ガスが有るときの自着火遅れ時間の比を全温度域で平均した値である。図５中に実線で示す係数Bを残留ガス割合毎に全温度域で平均することで、図５中に二点鎖線で示すように残留ガス割合毎に係数B_aveが得られる。係数B_aveの値は、残留ガス割合に対応したマップデータとしてパラメータマップ１０に記憶されている。

自着火予測部８は、シミュレーション部６でミュレートされた圧力pと温度Tの変化を（６）式に代入するとともに（５）式の左辺の積分を計算する。その際、自着火予測部８は、残留ガス割合を検索条件としてパラメータマップ１０からパラメータB_aveを求める。計算の結果、（５）式が成立するようなτが存在すれば自着火は発生すると予測され、左辺の積分値が１となった時点のτがノック点火時期として算出される。

以上説明した自着火の発生の予測方法によれば、パラメータA、β、Eを筒内温度に依存しない固定値とすることで、実施の形態１に比較してパラメータA、β、Eのチューニングに要する工数を削減することができる。その反面、自着火の発生の予測精度は低下することとなるが、自着火遅れ時間fbの計算に用いるパラメータB_aveの値を残留ガス割合に応じて設定することで、残留ガス割合の影響を排除して自着火遅れ時間の変化をシミュレートすることができる。図５に示すように、残留ガス割合が少ないときには、パラメータBはその平均値であるパラメータB_aveによって十分に近似することができる。したがって、残留ガス割合が少ないときには、以上説明した予測方法でも自着火の発生を高い精度で予測することができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態１にかかる自着火の発生の予測方法と、実施の形態２にかかる自着火の発生の予測方法とを組み合わせてもよい。具体的には、残留ガス割合が多いときには、実施の形態１にかかる方法で自着火の発生を予測し、残留ガス割合が少ないときには、実施の形態２にかかる方法で自着火の発生を予測する。これによれば、自着火の発生の予測精度を高く維持しつつ、マップデータの作成に要する工数を削減することができる。

本発明の実施の形態１としての内燃機関の自着火予測装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１において自着火遅れ時間faの計算に使用する係数Bと、残留ガス割合及び筒内温度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１において実施されるパラメータA_i、β_i、E_iのチューニングの手順を示すフローチャートである。 自着火が発生した時の筒内圧力の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２において自着火遅れ時間fbの計算に使用する係数B_aveと、残留ガス割合及び筒内温度との関係を示す図である。

符号の説明

２ 自着火予測装置
４ 運転条件設定部
６ シミュレーション部
８ 自着火予測部
１０ パラメータマップ

Claims (5)

1. 内燃機関の運転条件を設定する手段と、
   設定された運転条件下での筒内圧力及び筒内温度の変化をシミュレートする手段と、
   シミュレートされた筒内圧力及び筒内温度の変化に基づいて自着火遅れ時間を求め、その逆数の積分によって自着火の発生を予測する手段と、
   前記自着火遅れ時間の計算に用いるパラメータの値をシミュレートされた筒内温度に応じて変化させる手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の自着火予測装置。
2. 筒内温度に対して複数の温度域が定められ、前記パラメータの値は前記温度域毎に設定されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の自着火予測装置。
3. 前記温度域は、低温域、中温域及び高温域の三つに区分けされていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の自着火予測装置。
4. 設定された運転条件下での残留ガス割合を算出する手段と、
   前記パラメータのうちの少なくとも１つの値を算出された残留ガス割合に応じて設定する手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の自着火予測装置。
5. 内燃機関の運転条件を設定する手段と、
   設定された運転条件下での筒内圧力及び筒内温度の変化をシミュレートする手段と、
   設定された運転条件下での残留ガス割合を算出する手段と、
   シミュレートされた筒内圧力及び筒内温度の変化に基づいて自着火遅れ時間を求め、その逆数の積分によって自着火の発生を予測する手段と、
   前記自着火遅れ時間の計算に用いるパラメータの値を算出された残留ガス割合に応じて設定する手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の自着火予測装置。

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