JP2008116271A

JP2008116271A - エンジン計測装置

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Publication number: JP2008116271A
Application number: JP2006298502A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Sugita; 満春杉田
Original assignee: A&D Co Ltd
Current assignee: A&D Holon Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-22
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: JP4778876B2

Abstract

【課題】測定不可能だったエンジン排気口付近の排気温度を推定すること。
【解決手段】点火進角の値がステップ状に変化するようにエンジン１３を駆動制御して行なう定常試験と、点火進角の値が時間的に連続して変化するようにエンジン１３を駆動制御して行なう過渡試験のそれぞれの試験条件の設定を行なうシステム制御部１１と、定常試験実行時に、温度センサ５から得られた計測データに基づいて、エンジン１３の排気口付近で得られる第１推定排気温度と温度センサ５の計測排気温度との関係を表す第１温度センサモデルを作成し、第１温度センサモデルの周波数解析結果に基づいて、復元可能な周波数帯域を決定し、第２推定排気温度と計測排気温度との関係を表す第２温度センサモデルを作成するモデル作成部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン性能を計測するエンジン計測装置に関し、特に、エンジンの排気温度を計測することにより、エンジン燃焼室の排気口付近の真の排気温度を推定するエンジン計測装置に関する。

従来、開発ないし製造されたエンジンの燃焼特性と、排気温度及び排気ガス系の各部の温度との関係が所定の性能を備えているかを評価するため、試験対象となるエンジン及び排気ガス系の装置を台上（エンジンベンチ）に取付け、エンジンの出力軸にトルク計及び回転数計を介してダイナモメータを接続し、ダイナモメータを駆動させて、エンジントルクの性能を測定・評価するとともに、排気ガス系の温度や排気ガス成分の性能を測定・評価する台上試験が行なわれている。

近年、燃費性能の向上・排気ガス削減の見地から、エンジン性能の向上の要請はますます厳しさを増しているが、エンジン性能の向上と、燃費性能の向上・排気ガスの削減は、各々相反する性能要求であり、エンジンの制御パラメータを燃費性能の向上、排気ガスの削減から両立させるような最適制御を行なう方法が一般的に行なわれている。エンジンは、通常、ＥＣＵを用いて電子的に制御されるが、エンジン燃焼方式の進歩や構造の複雑化に加え、このような最適制御が必要なことも、制御パラメータが増える要因となっている。

また、このような排気ガス削減要請に伴い、エンジンから排出された排気ガス中の有害成分を排気口から出す前に、触媒等の浄化装置を利用して後処理により浄化する方法が用いられている。

一般にこの触媒には、白金−ロジウムや白金−パラジウム−ロジウム等の貴金属混合物が用いられるが、触媒による浄化率は触媒の温度によって変化する。一般的には触媒の温度が約５００度以上では浄化率が高いが、約２５０度以下では急激に浄化率が悪化する。従って、エンジンの始動時に、触媒の温度が低いと浄化作用が悪く、排気ガスが浄化されないで大気に排出されることになる。また、触媒温度が高くても触媒の寿命が短くなるという問題があるため、６００度以下で使用することが望まれている。

従って、触媒での浄化率を高い状態で維持するために、触媒温度及び、エンジンから排出される排気温度を推定し、最適なエンジン制御を行なうことは、開発者にとって、排気ガス削減のための重要な使命となっている。

特に、エンジンの回転数が急激に変化するエンジンの始動時や運転中に車速を変化させた時に、触媒での浄化率を高い状態で維持するためには、排気温度を許容範囲内に制御することが求められており、このため、エンジン試験においても、エンジンの燃焼特性とエンジントルク性能を試験する以外に、エンジンの燃焼特性と排気温度性能について試験することが必要となっている。

しかし、このようなエンジン制御を行なうための試験を実施し、エンジン燃焼室の排気口付近の排気温度を温度センサで計測しようとしても、温度センサをエンジンの燃料室内部に装着することは物理的に不可能であり、また燃焼現象に影響を及ぼすため、その装着位置は燃焼室外部の排気管等に制限され、また、計測されるデータは、温度センサ自身の熱応答特性により、エンジン燃焼室の排気口付近の排気温度よりも１０〜１００秒オーダーで遅延し、その値も真の排気温度を表しているとは言いがたく、これが精密なエンジン制御の妨げとなっている。

そのため、特許文献１には、センサで計測される値が、真の被測定対象物の特性を表していないことに着目して、センサの応答特性を計測し、制御系の制御目標値を変更するセンサ応答特性検出装置が開示されている。

しかし、このようなセンサ応答特性検出装置には、以下に説明する技術的な課題があった。

特開２００５−３０７９６１号公報

特許文献１に開示されているセンサ応答特性検出装置は、空燃比センサの応答特性を無駄時間とｎ次遅れ特性とに分けて検出し、これらに基づいて空燃比フィードバック制御パラメータの修正が必要と判断されたときに、該パラメータを修正するものであるから、空燃比の真の値を推定し、推定された真の値に基づいて、エンジン制御を行なうことは出来なかった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、エンジン燃焼室の排気口付近で得られるはずの真の排気温度を、温度センサの計測値から推定することの出来るエンジン計測装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明にかかるエンジン計測装置は、エンジンを制御するエンジン制御部と、前記エンジンに接続されたダイナモメータの負荷トルクを制御するダイナモメータ制御部と、前記エンジン燃焼室の排気口に接続された排気管に装着された排気温度検出用の温度センサを備え、前記エンジン及びダイナモメータを駆動して行なう台上試験で前記エンジンの性能を計測するエンジン計測装置であって、点火進角の値がステップ状に変化するように前記エンジンを駆動制御して行なう定常試験の試験条件の設定を行なうシステム制御部と、前記定常試験実行時に、前記温度センサから得られた計測データに基づいて、前記排気口付近における第１推定排気温度と前記温度センサの計測排気温度との関係を表す第１温度センサモデルを作成し、前記第１温度センサモデルの周波数解析結果に基づいて、前記排気口付近における排気温度を復元可能な周波数帯域を決定し、決定された周波数帯域に基づいて、前記排気口付近における第２推定排気温度と前記計測排気温度との関係を表す第２温度センサモデルを作成するモデル作成部とを備え、前記第２温度センサモデルと前記計測排気温度に基づいて復元された前記第２推定温度を前記排気口付近で得られる真の排気温度とみなすようにした。

このような構成のエンジン計測装置によれば、計測排気温度データに基づいて、第１温度センサモデルが作成され、この第１温度センサモデルに基づいて、復元可能な周波数帯域において真の排気温度を復元するための第２温度センサモデルが作成され、これにより測定不可能であった真の排気温度が精度よく推定可能になるので、この推定された排気温度に基づいて、燃費性能の向上、ＮＯ_Ｘ削減と、エンジン性能の向上の両立が可能なエンジン制御が行えるようになることが期待される。加えて、エンジン開発、排気ガスの触媒浄化率の向上の観点からも有効な手段が提供されると言える。

また、前記エンジン計測装置は、前記システム制御部は更に、前記点火進角の値が時間的に連続して変化するように前記エンジンを駆動制御して行なう過渡試験の試験条件の設定を行なうものであり、前記モデル作成部は更に、前記第２温度センサモデルに基づいて復元された第２推定排気温度と、前記点火進角や回転数・トルク等のエンジンパラメータとの関係を表すエンジンモデルを作成するものであり、前記エンジン計測装置は更に、作成された前記第１温度センサモデル、第２温度センサモデル、エンジンモデルのシミュレーションを行なうシミュレーション部と、前記シミュレーション部における前記定常試験と過渡試験のそれぞれのシミュレーション結果の比較検証を行なう検証部を備え、前記モデル作成部は、前記検証部の比較検証結果に基づいて、前記エンジンモデル、第１温度センサモデル、第２温度センサモデルのいずれか１以上の修正を行ない、前記真の排気温度の推定精度を向上させるものであってもよい。

この構成によれば、シミュレーションにより定常試験と過渡試験の結果が一致することを利用して、モデルの修正にフィードバックすることが出来るので、真の排気温度の推定精度及び各モデルの精度を高めることが出来る。また、定常試験は、第１温度センサモデル作成のためだけに実施されればよく、過渡試験は短時間で実施出来るため、試験時間の短縮、評価検討時間の短縮に貢献することもまた期待される。

また、前記シミュレーション部は、前記エンジンモデル及び前記第２温度センサモデルを組み合わせたモデルのシミュレーションを行い、前記検証部は、前記シミュレーション結果と、実機試験により得られた計測排気温度のデータとを比較してもよい。

このように、作成されたエンジンモデルと第２温度センサモデルを組合せた状態でシミュレーションすれば、当該シミュレーションの出力結果と、実測可能な計測排気温度データとを直接比較することが可能となり、この比較結果をモデル修正にフィードバックすることが出来るので、より検証精度、モデル精度が高まる。

また、前記モデル作成部は、前記第１温度センサモデルとして得られたステップ応答関数の周波数特性から、復元可能な周波数帯域を定めた目標インパルス応答関数を設計し、前記目標インパルス応答関数と前記ステップ応答関数とに基づいて、前記第２推定排気温度を復元するための補正フィルタを設計し、前記目標インパルス応答関数と補正フィルタを前記第２温度センサモデルとしてもよい。

目標インパルス応答関数の設計は、復元可能な周波数帯域を決定することで容易に行なわれ、また補正フィルタの設計も、目標インパルス応答関数とステップ応答関数の周波数特性の除算（対数目盛上では減算）を行なえばよいので、容易に第２温度センサモデルが作成される。

また、前記モデル作成部は、前記第２温度センサモデルに基づいて復元された第２推定排気温度と、当該第２推定排気温度のデータに前記目標インパルス応答関数の乗算を行なった結果得られたデータとを比較して、両者の差が一定値に収束するように、前記ステップ応答関数、目標インパルス応答関数、補正フィルタのいずれか１以上を修正してもよい。

この構成によれば、目標インパルス応答の設計差異に基づく、第２推定排気温度への影響がなくなるように、モデルを修正することで、第１温度センサモデル、第２温度センサモデルの最適化、真の排気温度の推定精度の向上が図られ、エンジンモデルの高精度化に貢献することになる。

また、前記モデル作成部は、前記第１温度センサモデルを、ＡＲＸ手法により作成してもよい。

ＡＲＸ法によれば、定常試験において、点火進角があるステップ値を維持するまでの時間が２００ｓ〜２５０ｓ程度確保されていれば、本発明で要求される精度のステップ応答関数を求めることが可能であるから、通常一般的に行なわれる定常試験のように計測データが定常状態に安定するのを待つ必要はなく、定常試験と言えど、過渡試験の試験時間の短さには及ばないものの、測定時間の短縮化が図られる。

本発明にかかるエンジン計測装置によれば、計測排気温度データに基づいて、第１推定排気温度と計測排気温度の関係を示す第１温度センサモデルが作成され、この第１温度センサモデルの周波数解析結果に基づいて、復元可能な周波数帯域において復元された第２推定排気温度と計測排気温度の関係を示す第２温度センサモデルが作成され、第２推定排気温度を真の排気温度と見なすことで、測定不可能であった真の排気温度が精度よく推定可能になるので、この推定された真の排気温度に基づいて、より正確なエンジンモデルを作成出来るようになり、燃費性能の向上、ＮＯ_Ｘ削減と、エンジン性能の向上の両立が可能なエンジン制御が行えるようになることが期待される。加えて、エンジン開発、排気ガスの触媒浄化率の向上の観点からも有効な手段が提供されると言える。

また、本発明のエンジン計測装置により、定常試験は、最初に第１温度センサモデルを作成するためにのみ行なわれればよく、その後のモデル作成やシミュレーションは、過渡試験の結果を用いればよく、また最終的に実機試験等を行なう場合にも過渡試験を行なえばよいので、試験時間の短縮、評価検討時間の短縮に貢献することもまた期待される。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施例のエンジン計測装置１の概略接続構成を示す図であり、エンジン計測装置１は、エンジン１３以外の実機部分（トランスミッション、タイヤ等）を接続することなくエンジン１３単体での性能測定・評価を行なう試験において用いられ装置であり、試験対象たるエンジン１３、エンジン１３に接続されたダイナモメータ１５、エンジン１３及びダイナモメータ１５を固定する架台（エンジンベンチ）１６を備える。尚、エンジン１３はエンジン保持機構１６ａを介して架台１６に保持されている。

本実施例では、エンジン１３の出力軸には、ユニバーサルジョイント１４ａ等の連結手段を介してトルク伝達軸１４の一端が接続されており、トルク伝達軸１４の他端には回転数検出器、トルクメータ等の各種検出器２が接続され、検出器２を介してダイナモメータ１５に接続している。

本実施例のダイナモメータ１５は、エンジン１３の低速回転から最大能力での高速回転までの急激な回転数Ｎの変化が発生した場合にも各回転数Ｎに応じて、検出器２から安定な出力を得ることが可能なように、低慣性ダイナモメータとなっている。低慣性ダイナモメータは、後述するように電流・電圧を可変させることで負荷トルクを設定することが可能であり、エンジン１３の回転に伴う純粋なトルクを検出することが出来る。

尚、本実施例では、トルク伝達軸１４とダイナモメータ１５に介在する検出器２においてトルクを検出することとするが、ダイナモメータ１５の出力からトルクを検出することも可能である。また、トルク伝達軸１４には、検出器２の他、クラッチ、変速機、各種の連結手段等が台上試験の目的に応じて挿入されていてもよい。

エンジン１３の燃焼室（図示せず）内で燃料を燃焼させた結果、燃焼室から排出された排気ガスは、燃焼室の排気口に接続された排気管１８を介して、排気ガス浄化を目的として触媒を装着する触媒装着部１９に導かれ、触媒により浄化される。また、エンジン１３の燃焼室から排出された排気ガスの温度を計測するために、エンジン１３の燃焼室の排気口に接続された排気管１８には排気温度計測用の温度センサ５が装着される。

但し、温度センサ５で計測される排気温度は、温度センサ５がエンジン１３の燃焼室内に設置されるものではないことと、温度センサ５自体の特性による応答遅れがあることから、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度ではない。

更に、エンジン計測装置１は、エンジン制御部３、ダイナモメータ制御部４、測定部７、モデル作成シミュレーション部８、システム制御部１１、操作部１２、および表示部１０を備えている。

エンジン制御部３は、エンジン１３に接続され、スロットル開度や点火進角等の制御パラメータをエンジン１３に与えて、エンジン１３を駆動制御する手段であり、通常はＥＣＵ、もしくはＥＣＵにバイパス回路を付加したエンジン制御回路で実現される。

例えば、エンジン制御部３がエンジン１３に所定のスロットル開度を与えることによって、エンジン１３は回転し、その回転はトルク伝達軸１４を介してダイナモメータ１５に伝達される。つまり、エンジン１３の回転数は、スロットル開度を制御することによって制御されるものである。

尚、エンジン制御部３から与えられる制御パラメータには、回転数、スロットル開度以外にも、燃料注入量、空気注入量、燃料と空気の混合比、更にガソリンエンジンの場合には点火時間、ジーゼルエンジンの場合には燃料噴射制御方法等の様々なパラメータがある。

また、エンジン制御部３からはエンジンの動作状態を示すスロットルポジション、クランク角、吸気温度、排気温度、インジェクション時間、吸気・排気タイミング、進角値の様な信号が創出される。尚、エンジン制御部３はＥＣＵの代わりに仮想ＥＣＵと称するＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）で実現される場合もある。

ダイナモメータ制御部４は、ダイナモメータ１５に接続され、ダイナモメータ１５に印加する電流・電圧を可変制御する手段である。ダイナモメータ１５の電流・電圧を可変制御することによってダイナモメータ１５に接続されたエンジン１３の負荷トルクが制御される。尚、本実施例で使用するダイナモメータ１５は、低慣性ダイナモメータであり、ダイナモメータ１５で検出される負荷トルクと、検出器２で検出される軸トルクは実質的に同一であるから、以下において負荷トルクと軸トルクは同義であるものとし、以下、単にトルクと称するものとする。

測定部７は、エンジン制御部３、検出器２、温度センサ５からのエンジン１３の動作状態を示す信号を測定して入力し、各種の信号処理を行ない、モデル作成シミュレーション部８に出力する手段であり、具体的には、エンジン制御部３、検出器２、温度センサ５等から計測されるデータを取り入れる入力回路を含んだ入力部７１、入力部７１に入力されたデータを保存するデータメモリ７２、データメモリ７２に保存されたデータについて、後述するモデル作成シミュレーション部８での演算が行いやすいようノイズ除去（フィルタ）処理等の信号処理を行なう信号処理部７３で構成される。

入力部７１は、システム制御部１１が、エンジン制御部３及びダイナモメータ制御部４の制御を行い、予め決められた試験条件下で台上試験を行なう間、検出器２から出力される回転数、トルク等のデータ及び温度センサ５で計測されるエンジン出力端における排気温度のデータを測定するとともに、エンジン制御部３からエンジン１３に与えられたスロットル開度等の制御データを同期間に測定し入力する手段である。

尚、スロットル開度等の時系列データは、エンジン制御部３からではなく、システム制御部１１から直接入力されてもよいし、エンジン１３に設けられたスロットル開度検出器等からエンジン制御部３を介して入力されてもよい。

測定部７（入力部７１）は、入力されるデータがアナログ信号である場合には、Ａ／Ｄ変換器を備えており、デジタル信号に変換される。入力されるデータがデジタル信号である場合にはＡ／Ｄ変換器は不要であるが、いずれにせよ、入力される複数のデータは、信号処理部７３での処理のため、相互に時間的同期がとれている必要がある。もちろんその同期化処理が、信号処理部７３において行なわれても構わない。

データメモリ７２は、入力部７１に入力されたデータを一時格納する手段であり、信号処理部７３での信号処理途中のデータ、及び信号処理結果のデータを一時格納することも出来る。

信号処理部７３は、データメモリ７２に格納されたデータに基づいて、各種の演算を行ない、後述するモデル作成シミュレーション部８で作成するモデルの最適値を決定するための信号処理を行なう手段である。信号処理部７３には、例えば、データのノイズを除去するノイズ除去器（フィルター）、加減乗除器、微分積分器、平均値演算器、標準偏差演算器、データ度数等の計数器（カウンタ）、周波数解析器（ＦＦＴ）等、公知の演算器が含まれる。

システム制御部１１は、エンジン制御部３、ダイナモメータ制御部４、測定部７、モデル作成シミュレーション部８、表示部１０及び操作部１２の各制御を行なう手段である。尚、システム制御部１１は、例えば、図示しない外部からの指示に基づいて動作するものであってもよい。また、エンジン制御部３がＥＣＵであってもよく、更に、エンジン制御部３がシステム制御部１１を兼用していてもよい。

また、システム制御部１１は、公知の実験計画法等に基づいて、台上試験の試験条件及び、入力部５１に取り込むデータの種類を選択・決定し、モデル作成シミュレーション部８において、どのデータを制御パラメータとするかの選択・決定を行なう手段でもある。

モデル作成シミュレーション部８は、測定部７で得られたデータに基づいて、エンジンの定常動作・過渡動作に対するモデルを作成し、更に作成したモデルでエンジン制御部３及びダイナモ制御部４を制御してシミュレーションを行なう手段であり、それぞれ、モデル作成部８１、データメモリ８２、検証部８３、シミュレーション部８４を有する。

モデル作成部８１は、信号処理部７３で選択された制御パラメータや、検出器２や温度センサ５で計測されたデータを用いて、任意の入力と出力に介在する関係（伝達特性）を式、グラフ等で表現したモデルを作成し、これをデータメモリ８２に格納する手段である。尚、制御パラメータの選択は、必ずしも信号処理部７３で行なわれる必要はなく、システム制御部１１やモデル作成シミュレーション部８において行なわれてもよい。

本実施例において、モデル作成部８１で作成されるモデルには、温度センサ５の入力（エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られるべき排気温度）と出力（温度センサ５で計測される排気温度の値）の関係を表す温度センサモデルと、排気温度と点火進角の関係を表すエンジンモデルの２種類のモデルがある。

尚、本実施例におけるエンジンモデルは、排気温度と点火進角の関係を表しているが、排気温度と、点火進角以外の他の制御パラメータ（例えば、回転数やスロットル開度）の関係を表すものであってもよい。

また、本発明のエンジン計測装置１では、後述する実施例からも分かるように、制御パラメータとしての点火進角が、試験中、定常状態及び過渡状態で得られるような試験条件を設定し、これらの定常状態及び過渡状態で得られたデータを用いて、モデル作成、モデルシミュレーション、モデル評価を行なうことを特徴としている。

尚、本明細書において、定常状態とは、モデルを作成するのに必要なパラメータの値（本実施例では点火進角）を一定時間、一定値に安定させた状態（例えば、パラメータをステップ状に変化させること）を指し、このようにパラメータを制御して行なう試験を定常試験という。

一方、過渡状態とは、モデルを作成するのに必要なパラメータの値（本実施例では点火進角）を時間的に連続的に変化させた状態（例えば、パラメータを正弦波形状、三角波形状に変化させること）を指し、このようにパラメータを制御して行なう試験を過渡試験という。

本実施例では、定常試験で得られたデータは、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度の推定及び温度センサモデルの作成に用いられ、過渡試験で得られたデータは、エンジンモデルの作成・評価及び温度センサ特性モデルの評価に用いられることとなる。

尚、モデル作成部８１には、モデルを作成する他、モデルの再作成・修正・パラメータ値調整等を行なうことも含まれる。

データメモリ８２は、モデル作成部８１で作成されたモデルを格納する手段である。

シミュレーション部８４は、モデル作成部８１で作成されたモデルに基づいて仮想シミュレーション、またはエンジン制御部３及びダイナモ制御部４を制御の上で、実機シミュレーションを行なう手段である。

検証部８３は、シミュレーション部８４のシミュレーション結果と、実測値とを比較してモデルの有効性・妥当性を検証する手段である。シミュレーション回数を増やして、シミュレーションの都度、モデルを修正することで、より正確なモデルの作成が図られる。尚、モデルの再作成・修正、パラメータ値の調整等が検証部８３で行なわれてもよい。

表示部１０は、データメモリ７２，８２に格納されている各種データ、モデルや、信号処理部７３での演算結果や、シミュレーション部８４でのシミュレーション結果、検証部８３での検証結果等を表示する手段である。具体的に、表示部１０は、個々のデータや信号処理部７３での演算結果のみならず、複数のデータの関係グラフや、軌跡や、度数分布表や、標準偏差グラフ等を表示することが出来る。もちろん、データと信号処理部７３での演算結果とは、同一時間におけるものであれば、組み合わせて同一画面に表示することも可能である。

表示部１０において、例えば、点火進角をパラメータとした時のトルクと回転数の関係特性をグラフ表示することによって、エンジン１３の基本性能を視覚的に一目瞭然に把握することが可能となる。

以下、エンジン計測装置１の全体動作について、図１のシステム構成図と、図２、図３のフロー図を参照して説明する。尚、本来、制御パラメータには、数多くの種類が存在しているが、説明の簡略化及び本発明のエンジン計測装置１の主目的より、本実施例のエンジン計測装置１では、回転数、アクセル開度、点火時期、点火進角といった、試験対象たるエンジン１３の性能を評価する基本となるパラメータを制御パラメータとして設定し、この制御パラメータのうち、回転数、アクセル開度、点火時期を一定にして、点火進角を変化させて、台上試験を行なった際に、応答出力として得られるトルク及び排気温度への影響を求める排気ガス系の性能試験を例として示す。

エンジン計測装置１を使用しての排気ガス系の性能試験は、上述した温度センサモデルの作成（Ｓ２００）、エンジンモデルの作成と、温度センサモデルへのフィードバック（Ｓ３００）、及びエンジンモデルと温度センサモデルを組み合わせたシミュレーションと各モデルへのフィードバック（Ｓ４００）の大まかなフロー（図２）により実施される。また、Ｓ２４０の詳細フローは、図３のフローチャートに示されている。以下、各フローの詳細について説明する。

まず、エンジン計測装置１は、の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度の推定及び温度センサモデル・エンジンモデル作成のための試験条件を設定する（Ｓ２１０）。本実施例での試験条件は、システム制御部１１で実験計画法等の公知の手法に従って設定され、例えば、図４に示すように、回転数（図４中、Ｂで示されるグラフ）を２４００〜２５００ｒｐｍとし、スロットル開度（図４中、Ｃで示されるグラフ）を一定にして、点火進角（図４中、Ｇで示されるグラフ）を０、５０、１００、１５０、２００度というように各々約２００秒ずつ維持したステップ状に変化させて行なう定常試験と、点火進角を０から２００度まで時系列的に連続的に上昇及び下降変化させる過渡試験とが、それぞれ少なくとも１回ずつ行なわれるようにする。

尚、本実施例の図４では、過渡試験、定常試験、過渡試験という順番で試験が行なわれるようになっているが、特にこの順序に限らない。また、定常試験の他に過渡試験を行なう理由は、Ｓ４００のモデルシミュレーションまでを一括して行なうためであり、Ｓ２００の排気温度の推定及び温度センサモデルの作成で必要とされる試験は、点火進角を０、５０、１００、１５０、２００度とステップ状に変化させて行なう定常試験である。

このように設定された試験条件に従って、システム制御部１１が、エンジン制御部３及びダイナモメータ制御部４を駆動制御して、台上試験を実施し、各種データを測定して、入力部７１に入力し、データメモリ７２に格納する（Ｓ２２０）。図４が計測結果を表すデータであり、最下段に示される点火進角（図４中、Ｇ）の値に応じて、最上段から順に、Ａ／Ｆ（空燃比）（図４中、Ａ）、エンジン回転数（図４中、Ｂ）、スロットル開度（図４中、Ｃ）、トルク（図４中、Ｄ）、吸入空気量（図４中、Ｅ）、排気温度（図４中、Ｆ）の時系列データが計測されたことが分かる。尚、排気温度は、温度センサ５で計測された値であり、点火進角の値の変化に対して、遅れ要素を持ちながら応答していることが分かる。

次に、信号処理部７３は、計測されたデータについて、ノイズ除去等の処理信号処理を行い（Ｓ２３０）、モデル作成部８１は、排気温度の推定及び、温度センサモデル作成を行なうとともに、温度センサモデルの精度向上・モデル修正のためのシミュレーションを行なう（Ｓ２４０）。尚、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度が推定できるということは、温度センサモデルの入力として与えられる信号が推定できるということであり、温度センサモデルの出力は、温度センサ５で計測可能であるから、つまりは、推定された入力と、計測可能な出力とに基づいて温度センサモデルを作成することが出来るのと同義である。

Ｓ２４０のフローの詳細は図３に示されるので、以下、図３を参照しながら説明する。

具体的にモデル作成部８１は、点火進角をステップ状に変化させて行なった定常試験時に得られた温度センサ５で計測された排気温度のデータを元に、ＡＲＸ手法により、時間遅れ要素の解析、周波数解析等の解析を行い（Ｓ５２０）、この解析結果に基づき、第１段階の温度センサモデル（以下、第１温度センサモデルと称する。第１、第２等の数値が付されない温度センサモデルは、包括的な意味・理論的な意味での温度センサモデル（エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度と温度センサ５で計測される排気温度との関係）を指す。また、本実施例における第１温度センサモデルは、ステップ応答関数）を作成する（Ｓ５４０）。

ここでまず、第１温度センサモデルを作成するために、点火進角をステップ状に変化させて行なう定常試験が行なわれる必要性について説明する。

上述したように、温度センサモデルを作成するためには、エンジン１３の燃焼室の排気口付近の排気温度と温度センサ５で計測される排気温度の関係（伝達特性）を求める必要があるが、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度は、当然のことながら温度センサ５では計測不可能の値である。

そのために、計測不可能な排気温度を推定する必要があるが、推定のための前提として、点火進角の変化と排気温度の変化の追従性について理解する必要がある。すなわち、回転数や空燃比等の点火進角以外の制御パラメータを一定にした状態で点火進角を変化させると、排気温度もこれに追従して変化することが知られており、点火進角の変化の傾向を知ることによっておのずと排気温度の変化の傾向を推定することが出来る。尚、点火進角以外の制御パラメータを一定にしなければ、排気温度の変化傾向は、点火進角の変化傾向とはまた異なるものとなってしまうので注意が必要である。

変化の傾向を最も単純に表すことが出来る信号がステップ信号（ステップ応答関数）である。ステップ信号は、信号が変化する時間と、その変化量によってのみ定義されることは当然知られている。また、台上試験において、ステップ状の点火進角信号を、エンジン制御部３から創生し、エンジン１３に出力することは、容易に行なえることである。

しかしながら、点火進角と排気温度の関係は非線形にあるため、ステップ状に点火進角を変化させた場合、排気温度が同じくステップ状に変化することまでは推定できても、排気温度の変化量までは推定できず、そのため、点火進角信号を、単純に排気温度（温度センサモデルの入力）とみなして用いることは出来ない。

そこで、排気温度を、推定が行ないやすいステップ信号とするために、点火進角をステップ信号として創生し、台上試験を行い、温度センサ５の計測値を見て、ステップ状の排気温度のステップ変化時間と変化量とを推定する（本実施例では、ステップ応答関数を求める）必要があるのである。

ステップ信号の変化時間については、点火進角の変化時間とほぼ同時刻にエンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度も変化することが分かっているため、これについては点火進角の変化時間と同時刻とみなせばよい。

また、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度が、点火進角のステップ変化に追従してステップ状に変化している否かの確認は、図４の計測データのうち、Ｄで示されるトルクデータが、Ｇで示される点火進角の変化と同時刻にステップ変化しているか否かを確認すればよい。

これは、トルクエネルギー＋温度エネルギー＝燃料エネルギーというエネルギー保存則に基づき、本実施例の台上試験では、点火進角以外の制御パラメータを一定としているので、つまりは温度エネルギーが一定であるから、点火進角の変化がそのままトルクの変化に現れるということによるものである。

図４の計測データ（ＤとＧ）を見ると、定常試験時、ステップ状に変化する点火進角と同時刻にトルクもステップ状に変化していることが分かり、これは、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる排気温度がステップ状に変化していることの裏づけとなる。

次に、本実施例で第１温度センサモデル（ステップ応答関数）を作成するためのＡＲＸ法について簡単に説明する。ＡＲＸ（ＡｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅＭｏｄｅｌｗｉｔｈＥｘｏｇｅｎｏｕｓＩｎｐｕｔ）法は、係数を多項式の形で表し、多項式の級数の未知係数を回帰行列法で求めることから、ＡＲ法またはＡＲＸ法と称され、データ解析に用いられる手法であり、逆行列の演算を避けるために再帰的最小二乗アルゴリズム等で行なわれるため、エンジンのモデル化等のシステム同定法（システムの入力と出力との間に存在する伝達関数を求めること）にも応用されているものである。

一般的な線形モデルをＡＲＸモデルで表すと以下のようになる。
y(t)＝G(ｚ) u(t) ＋H(ｚ) e(t)・・・・（１）
A(z)＝１＋a₁z^-1＋a₂ｚ-² + a₃z^-3＋・・・・+a_nz^-n
B(z)＝b₁z^-1＋b₂z^-2 + b₃z^-3＋・・・・+b_nz^-n
G(z)=B(z)/A(z)
H(z)＝1/A(z)
（ｙ（ｔ）：出力、ｕ（ｔ）＝入力、Ｇ（ｚ）＝伝達関数、Ｈ（ｚ）＝外乱モデル、ｅ（ｔ）＝雑音入力、ｚ＝シフトオペレータ）

これにより伝達関数がパラメータ a_j、b_jで表せていることになる。また、行列演算で求める為に(１) 式を遅延演算子を用いて書き換えると
遅延演算子：u[t]z^-i＝u[t-i]
から
y(t)＝ -a₁y[t-1]-a₂y[t-2]＋・・・＋a_ny[t-n]＋b₁u[t-1]＋b₂u[t-2]＋・・・b_mu[t-m] ＋e[t]

これより、
パラメータベクトルθ ＝[a₁Λ a_n b₁Λ bm]^T
データベクトルψ[t] ＝[-y[t-1] Λ -y[t-n] u[t-1] Λ u[t-m]]^T
とすると
y[t] ＝θ^Tψ[t] ＋ e[t]
となる。（θ：温度）

これにより、入出力として u[m]、y[ｍ] を用いてＡＲＸモデルの予測値を求めることが出来る。

また伝達関数も

からもとめることが出来る。ここで予測誤差は

で表される。例えばＡＲＸモデルの推定方法で最も簡単な最小自乗法で行なうと予測誤差の自乗平均値は

これの最適パラメータは

で表され、そのデンタル関数G(z)=B(z)/A(z) の推定値は

となる。このように、入出力関係から伝達関数の最適パラメータが求められるし、同様に伝達関数が推定できると入力値から出力値、出力値から入力値も推定できる。

尚、ＡＲＸモデルの精度は、損失関数（誤差の二乗）や決定係数等で判断する。例えば、次数を上げるとモデルの精度は上がり、損失関数値は小さくなる、A(z)、B(z)の次数、遅れ時間に関しては、次数を順番に変化させ、損失関数の値がほぼ一定になる次数を最適な次数とする。この最適化手法は公知の手法である。

ＡＲＸ法を用いてのモデル化やモデル最適化は、市販のＡＲＸソフトウェアをエンジン計測装置１に組込むことで実現出来るため、ＡＲＸ法の詳細については本明細書では省略することとする。

さて、Ｓ５２０では、具体的に、排気温度のステップ応答関数を求める前に、排気温度の定常試験データ（点火進角を０、５０、１００、１５０、２００度とステップ状に変化させた時に得られたデータ、図４中Ｆの定常試験データ）が、ＡＲＸ法で扱えるか否かの評価を行なうため、信号処理部７３では、この定常試験データを、点火進角の各ステップ（０、５０、１００、１５０、２００度の計５ステップ）毎のデータに分割して、図５（ａ）に示すように５本のグラフを同時表示する。時間軸が２００ｓまであるのは、定常試験時に、各点火進角の値がそれぞれ約２００ｓ間維持されていたからである。

そして図５（ａ）の５本のグラフを時間応答関数として規格化すると、図５（ｂ）のグラフが得られる。図５（ｂ）のグラフより、異なる点火進角値について得られた排気温度の変化が、一種類のステップ応答関数で表せる（１入力線形時不変モデルで表せる）ことが分かるので、これより、図５（ａ）のグラフを平均化することで、図５（ｃ）に示すようなステップ応答関数が得られる（Ｓ５４０）。つまり、このステップ応答関数が、ステップ入力と仮定された排気温度（これを第１推定排気温度と称する）と、温度センサ５の計測値との関係を示す第一温度センサモデルとなる。

尚、このステップ応答関数は、実際の温度センサ５の計測データの遅れ波形を見て、次のステップに変化する直前の値を、ステップ応答関数の変化量として設定することでも求められる。また、詳細は後述するが、第１温度センサモデルが同定された後でステップ応答関数を修正する場合には、最小二乗法を用いて、ステップ応答関数の変化量を設定している。

更に、作成された第１温度センサモデルの同定を行う（Ｓ５５０）。具体的には、図５（ｃ）のステップ応答関数の入力値、すなわち、ステップ状の第１推定排気温度が、図６中、ステップ波形Ｈで示される。また、図６には、このステップ波形を入力値としたステップ応答関数の出力波形Ｉも示される。この出力波形は、温度センサ５の計測値（図６中、Ｊで示される波形。図６のＪは、図４の計測データのうち、温度センサ５の計測値を定常試験期間のみ抽出したものである）に近似しており、ステップ応答関数の妥当性が示されていると言え、これで、第１温度センサモデルが同定されたことになる。

尚、ここで求められるステップ応答関数の精度は、ステップ時間幅を長くする、つまり、点火進角がステップ状に変化するまでの時間を長くするよう試験条件を設定することで、高くなるものであるが、本発明のエンジン計測装置１では、ここで推定された第１推定排気温度は、強制的に、第１温度センサモデルであるステップ応答関数を当てはめることによって求められた値に過ぎず、当然のことながら、定常試験の結果にのみしか対応しないものであり、これが過渡試験の結果とも対応しなければ、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる真の排気温度が推定されたとは言えない。

ここで、強制的に第１推定排気温度を第１段階としてステップ応答関数に当てはめて推定した理由は、これを最終的な推定値として使用するのでなく、次なる第２段階で、この推定値（もしくは第１温度センサモデル）に基づいて、更なる高精度の推定を計り、過渡試験の計測データからも真の排気温度の復元が可能なような第２温度センサモデルを作成するためである。

従って、先のステップ応答関数を求めるＳ５４０のフローにおいて、推定精度の高さは要求されない。また、ＡＲＸ法によれば、点火進角があるステップ値を維持するまでの時間が２００ｓ〜２５０ｓ程度確保されていれば、本実施例で要求される精度のステップ応答関数を求めることが可能であるから、通常一般的に行なわれる定常試験のように、計測データが定常状態に安定するのを待つ必要はなく、定常試験と言えど、過渡試験の試験時間の短さには及ばないものの、測定時間の短縮化が図られる。

さて、Ｓ５８０のフローの説明に進むとともに、ステップ応答関数を求めたＳ５４０のフローにおいて、推定精度の高さが要求されない理由について説明する。理論的には、入力信号と出力信号の間の伝達特性を表すステップ応答関数が定まれば、このステップ応答関数（＝横軸が時間で表される時間関数）の周波数解析を行い、利得（ゲイン）と周波数の関数（利得の周波数特性）に変換し、更にこの逆特性を求め、この逆特性をフィルタとして、出力信号にかける処理を行なうことで、元の入力信号の復元が可能となる。つまり、第１推定排気温度が求められる。

先に求めたステップ応答関数の解析を行い（Ｓ５８０）、利得の周波数特性に変換して表したものが、図７のＫで示されるグラフある。このグラフＫを見ても分かるように、基本的にどのような伝達関数であっても、利得の周波数特性というのは、高周波になるほど利得が下がり、また、不安定になっているのが特徴である。

この利得の周波数特性の逆特性は、このグラフＫを−１０ｄＢの軸を境に上下反転させたグラフとなる。そしてその逆特性フィルタを、温度センサ５で計測された計測データ（伝達特性で言われるところの出力信号）にかけると、当該逆特性フィルタは、高周波帯域の利得が無限に発散してしまうため、復元されるはずの入力信号も、実際には復元されず、雑音の多い信号となってしまい、入力信号として用いることが出来ず、復元された意味がなくなってしまう。

尚、フィルタは本実施例ではデジタルフィルタが採用されており、元の伝達関数から見た出力信号に、畳み込み（積和）演算を行なうことで、入力信号を復元することが出来るが、フィルタの実現方法はデジタルフィルタに限らない。

つまり、利得の周波数特性の逆特性からは、理論上は入力信号を復元することが出来ても、実際の計算機を使った場合には、大概の逆特性をフィルタとして用いた場合、高周波帯域における処理結果（解）が発散してしまい、入力信号を全帯域において復元することは出来ないということである。つまりは、先に求めたステップ応答関数から、そのまま、第１推定排気温度の算出を行なうことは現実的に出来ないということである。

そこで、本発明のエンジン計測装置１では、雑音が入った復元意義のない入力信号（第１推定排気温度）をそのまま真の排気温度推定値として扱うことによりその後のエンジンモデル作成やエンジンモデルシミュレーションの精度を悪化させるのではなく、ステップ応答関数の利得の周波数特性に基づき、復元不可能と思われる周波数帯域についての復元をやめ、エンジンモデルの作成やシミュレーション評価に影響のない範囲の精度で、復元可能な周波数帯域において排気温度を推定するようにした点に特徴があると言える。

具体的には、図７に表されているステップ応答関数の利得の周波数特性グラフＫに基づき、入力信号を復元可能な周波数限界を定める。本実施例では、ステップ応答関数の利得の周波数特性Ｋの基準レベル（図７で、−１０ｄＢのレベル）に対して−４０ｄＢ（つまり、図７において−１０ｄＢ−４０ｄＢ＝−５０ｄＢのところ）の利得を有する周波数を復元可能な周波数限界と定める。本実施例では基準レベル−４０ｄＢの利得を有する周波数は、０．１Ｈｚである。

復元可能な周波数限界の決定は、必ずしも、−４０ｄＢ地点の周波数である必要はなく、エンジン計測装置１におけるエンジンモデルの評価の際、ノイズレベルと定義されるレベルの周波数に設定されればよい。

また本実施例の場合は、ちょうど、０．１Ｈｚあたりから、利得が急激に落ちてノイズレベルに達しているとともにノイズ成分が多く含まれているので、０．１Ｈｚ以下の高周波数帯域については、逆特性フィルタにより、入力信号を復元しても、ノイズが多く含まれてしまうことになる。

復元可能な周波数限界が定められたら、この設定周波数の半値帯域を有する目標インパルス応答関数を設計する（Ｓ６００）。本実施例の目標インパルス応答関数は、図７のグラフＬに示され、０．１Ｈｚの１周期の正弦波の半波を自乗して簡単に求めることが出来る。

目標インパルス応答関数を設計することにより、先の設定周波数までの周波数帯域の入力信号が復元可能となることが示される。尚、本実施例では、設定周波数までの入力信号の復元可能性を示すため、元のステップ応答関数（グラフＫ）とその逆特性関数の積が１となるような目標インパルス応答関数を用いているが、周波数分布の少ない、いわゆるギブス現象の少ない関数であれば必ずしもインパルス応答関数である必要はない。

つまり、目標インパルス応答関数を設計することで、逆特性フィルタによる入力信号の復元を行った時に、確実に設定周波数までの入力信号が復元され、設定周波数より高周波帯域についてはノイズが発生しないような入力信号の復元が行われるのである。

尚、図７のグラフＫとグラフＬの逆ＦＦＴ変換を行い、横軸を時間軸で、縦軸を相対リニアスケールで表したものが、図８のグラフＮとグラフＯである（図７のグラフＫと図８のグラフＮ、図７のグラフＬと図８のグラフＯがそれぞれ対応関係にある）。

目標インパルス応答関数が設計されたら次に、実際に入力信号を復元するために必要となる補正フィルタの設計を行う（Ｓ６１０）。補正フィルタは、いわば、目標インパルス応答関数が設計された上で（復元可能な周波数限界を設定した上で）元のステップ応答関数との積が１となるような、逆特性フィルタを指している。

具体的には、図７の目標インパルス応答関数のグラフＬから、ステップ応答関数のグラフＫを減算する（対数目盛上の減算。実際の演算は除算である）ことで、Ｍに示される補正フィルタの周波数特性が得られる。グラフＬは、目標インパルス応答関数であるから、ここで得られた補正フィルタＭとステップ応答関数Ｋの積は１（目標インパルス応答関数Ｌ）となる。

尚、図７の補正フィルタのグラフＭに対して逆ＦＦＴ変換を行い、横軸を時間軸に、縦軸を相対リニアスケール、かつ、面積の総和が１となるように表したのが、図９のグラフである。面積の総和が１となるようにしているのは、この図９の補正フィルタの時間関数が、実際に、入力信号復元のための逆特性フィルタとして用いられているからであり、逆特性フィルタとしていつでも同じ演算結果が得られるようにするためである。

こうして得られた図９の補正フィルタにより、ある特定周波数帯域においては、どのような温度センサ５の計測値に対する入力値についても復元（推定）できるということになる。この補正フィルタにより復元される排気温度を、第２推定排気温度と称する。

図１０（ａ）は、図９の補正フィルタを、図４で計測された全期間（過渡試験、定常試験の全ての期間）に渡る排気温度（温度センサ５の計測データ）に対してかけ、演算処理し、第２推定排気温度を求めた結果を示している（Ｓ６２０）。図１０（ａ）中、Ｐが図４に示されていたのと同じ排気温度（温度センサ５の計測値）を表し、Ｑが図４に示されていたのと同じ点火進角を表し、Ｒが、補正フィルタがかけられ推定された第２推定排気温度を表し、Ｓが、先に第１温度センサモデルの入力値として推定された第１推定排気温度を表している。

また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の最初の０〜１００秒までの過渡試験データの拡大グラフである。

尚、上述したように、第１温度センサモデルは、あくまで、第２段階で、目標インパルス応答関数と補正フィルタの設計を行い第２温度センサモデルを作成するために作成された仮のモデルとも言えるので、Ｓは、リファレンスとして図１０（ａ），（ｂ）に表示しているのみであるが、このＳとＲは、定常試験期間においては、よく一致していることが言える。つまり、Ｒでは、第２温度センサモデルを用いて排気温度のステップ変化が推定されていると言える。

そもそも、第１温度センサモデルは、入力信号（排気温度）がステップ状信号となることを前提として定常試験を行い、この定常試験データによって仮定されたモデルであり、ステップ状信号が得られない過渡試験データから入力信号の復元が行えないのは当然のことである。

しかし、図１０（ｂ）を見れば分かるように、過渡試験における温度センサ５の計測データＰと、補正フィルタを用いて復元された第２推定排気温度のデータＲとを比較すると、同じような波形傾向でまた遅れ要素を持っていることが分かる。これより、補正フィルタを用いることによって、定常試験データの復元のみならず、過渡試験におけるステップ状信号ではない排気温度データの入力信号も復元されることが分かる。

そして、補正フィルタを用いて推定された第２推定排気温度と、温度センサ５の計測データとの間の関係を第２温度センサモデルとして作成する（Ｓ６３０）。第２温度センサモデルは、過渡試験、定常試験すべての全期間に渡って作成されることが望ましい。

こうして、補正フィルタを用いて第２推定排気温度が、定常状態、過渡状態にかかわらず算出されたことになるので、この第２推定排気温度をエンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる真の排気温度とみなし、次に、この真の排気温度（現段階では第２推定排気温度と同じ）と点火進角の関係を表すエンジンモデルを作成し、エンジンモデルのシミュレーションにより、第２推定排気温度をより更に真の排気温度に近づけ（第２温度センサモデルの精度を向上させ）、エンジンモデルの精度を向上させるためのフィードバックフロー（Ｓ３００、Ｓ４００）の説明に移る。

尚、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる真の排気温度を精度よく推定する必要があるのは、そもそも、このエンジンモデルの精度を高めるためである。仮に、温度センサ５の計測データと点火進角の関係を求めたのではエンジンモデルの精度は当然のことながら、低く、排気ガス削減のためのエンジン制御を精度よく、効率的に行うことが出来ないからである。

まず、シミュレーション部８４は、図１１に示すような、定常試験期間における第１温度センサモデルの入力信号（第１推定排気温度）と点火進角の関係を表すグラフＴと、図１０の０〜１８０ｓの過渡試験期間において、補正フィルタにより復元された第２推定排気温度と点火進角の関係を表すグラフＵを、表示部１０に表示し、検証部８３で、図１１に示された定常試験データに基づくエンジンモデルＴと過渡試験データに基づくエンジンモデルＵとを比較する（Ｓ３２０）。

図１１のグラフＴ中、丸印で示されているのが、第１温度センサモデルの入力シミュレーション計算値である。定常試験は、点火進角を０、５０、１００、１５０、２００度に設定して行なわれる、図示されるように計６点（０度が２点）の計算値が得られることになる。この丸印の点をほぼ結んだ実線が、この６点の計算値の最小二乗法により求められた、排気温度と点火進角の関係を表すエンジンモデルである。

また、図１１のグラフＵ中、点線で示されているのは、図１０に示したグラフＲ（補正フィルタにより復元された第２排気温度）のうち、０〜１８０ｓの期間のデータをそのまま、横軸を点火進角にとって、連続的にスイープさせたものであり、データ点数は約３０００点である。０〜１８０ｓの期間では、点火進角を過渡状態に変化させているため、同じ点火進角値に対して複数（本実施例では２点）ずつの排気温度データが存在している。そして、グラフＵの実線は、こうしてスイープさせた点線データの最小二乗法により求められた、排気温度と点火進角の関係を表すエンジンモデルである。

つまり、本実施例のエンジン計測装置１では、過渡試験と定常試験の両方を行なっているため、エンジンモデルを、過渡試験データからと、定常試験データからと、両方から作成することが出来、これらの相互比較によって、エンジンモデルの検証、並びに、温度センサモデルの検証を行なうことが出来るのである。しかも、定常試験は、第１温度センサモデルを作成するためにのみ実施すればよく、後は過渡試験データを用いてエンジンモデルの作成や評価が出来るので、測定時間やシミュレーション時間、モデル作成・評価にかかる時間の短時間化が図られる。

尚、図１１のグラフからは、上述したとおり、排気温度と点火進角の関係が非線形であることもまた分かる。

さて、Ｓ３３０で、図１１のグラフＴとグラフＵの実線を比較すると、点火進角が小さい領域においては、定常試験データによるエンジンモデルと過渡試験データによるエンジンモデルは、ほぼ一致しているものの、点火進角が１００度以降になると、若干、相違が見られる。

本来であれば、試験対象たるエンジンが変わらなければ、同じエンジンモデルを表しているはずであるから、試験方法が過渡であろうと定常であろうと一致すべきであるから、一致しない箇所があるということは、作成されたエンジンモデルもしくは第１温度センサモデルもしくは第２温度センサモデルが正しくない、ということである。

特に、第２温度センサモデルの作成の際に、復元可能な周波数帯域の設定（目標インパルス応答の設計）が最適でなく、例えば、設定周波数を高くしすぎると、復元された第２排気温度データにより多くのノイズが含まれ、結果としてエンジンモデルの精度に影響を及ぼすことになるし、逆に設定周波数が低すぎると、復元されるべきデータの一部が復元されず、そのためにエンジンモデルの精度が低くなることが想定される。

そこで、モデル作成部８１は、定常試験データで作成されたエンジンモデルと過渡試験データで作成されたエンジンモデルとを一致させるため、これらモデル及び温度センサモデルの修正を行なう（Ｓ３４０）。このように、定常試験データと過渡試験データが一致することを目標としてモデルの修正を行なうことで、より真の排気温度の推定精度及びモデルの精度が高められる。

ここでモデルの修正について説明する前に、エンジンモデルと温度センサモデルの関係について図１５を参照しながら説明する。

図１５は、点火進角、回転数、トルク、排気温度等のエンジン関連パラメータと、これらのパラメータ間に介在するエンジンモデル、第１温度センサモデル、第２温度センサモデル（目標インパルス応答、補正フィルタ）の関係を示す相関図である。

つまり、点火進角や回転数・トルク等のパラメータ（本実施例では点火進角）と排気温度の関係を表すのがエンジンモデルであり、エンジンモデルは、エンジン１３の動作及び性能を表すモデルとも言えるので、排気ガス削減等のためのエンジン制御に用いられるものである。エンジンモデルの精度向上のためには、出力信号としての排気温度が、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる真の排気温度であることが望ましい。

しかし、エンジン１３の燃焼室の排気口付近で得られる真の排気温度は、実際には計測不可能であり、この真の排気温度と計測排気温度（温度センサ５の計測値）との間には、エンジン１３の燃焼室の排気口と温度センサ５の設置位置の差によって生じる温度誤差や応答遅れを表す温度センサモデルが介在している。

この温度センサモデルは、モデルの入力信号がステップ信号となることを仮定して行なう定常試験の結果、作成された、第１推定排気温度と計測排気温度の関係を表す第１温度センサモデルと、第１温度センサモデルの周波数解析結果に基づいて、復元できる周波数帯域において第２推定排気温度を復元するための目標インパルス応答と、この目標インパルス応答に基づいて第２推定排気温度を復元するための補正フィルタとに分けられる。目標インパルス応答と補正フィルタがいわば、第２温度センサモデルである。

そして、計測排気温度と、第２温度センサモデルに基づいて、第２推定排気温度を求め、第２推定排気温度を真の排気温度とみなし、推定された真の排気温度と点火進角の関係に基づいてエンジンモデルを作成し、作成されたエンジンモデルが妥当であるかを検証するため、エンジンモデルの出力として得られるはずの真の排気温度が、定常試験データと過渡試験データの双方において一致するかを確認し、一致しなければ、排気温度の推定が間違っていることになるから、第１温度センサモデル（本実施例ではステップ応答関数）もしくは第２温度センサモデル（目標インパルス応答と補正フィルタ）を修正することになるのである。

モデルを修正する際の修正目標としては、目標インパルス応答の設計の差異にかかわらず、推定（復元）される入力信号の値が変化しないこと、つまり、目標インパルス応答の影響が、入力信号の推定に現れないこと、が挙げられる。

図１２（ａ），（ｂ）は、図１０のグラフＲの３０〜７０ｓ期間及び０〜１００ｓ期間を表したグラフＶ（補正フィルタをかけて復元された第２推定排気温度、目標インパルス応答の影響が入っているもの）と、このグラフＶのデータに更に、先の補正フィルタに対応して設計された目標インパルス応答関数を乗算して、目標インパルス応答の影響を取り除いた状態の排気温度のグラフＷを示している。尚、横軸は時間（ｓ）、縦軸は排気温度（℃）を表している。

図１２のグラフＶとグラフＷを比較すると、各々の変曲点等において数値の差があるため、モデル作成部８１は、この差が一定値に収束するよう、つまり、第２推定排気温度について、目標インパルス応答の影響がなくなるよう、第１温度センサモデルのステップ応答関数、第２温度センサモデルの目標インパルス応答関数・補正フィルタのいずれか１以上のパラメータを変更する。尚、いずれのモデルのパラメータを修正するかは、図１２のグラフＶとグラフＷの差を見て決定することも出来るし、任意でよい。

このように、目標インパルス応答の設計差異に基づく、第２推定排気温度への影響がなくなるように、モデルを修正することで、第１温度センサモデル、第２温度センサモデルの最適化が図られ、もって、第２推定排気温度が真の排気温度とみなされる度合いが向上し、エンジンモデルの高精度化に貢献することになるのである。

そして、シミュレーション部８４は、変更されたモデルに基づいて、再度シミュレーションを行い（具体的には、第１温度センサモデルを修正した場合には、第２温度センサモデルを再作成し、再作成された第２温度センサモデルに基づいて、第２推定排気温度の再算出を点火進角が定常状態、過渡状態の全ての期間において行うか、または第２温度センサモデルは修正せず、定常状態のみついて第２排気温度を算出しなおす。また第２温度センサモデルを修正した場合には、修正された第２温度センサモデルに基づいて、第２推定排気温度の再算出を点火進角が定常状態、過渡状態の全ての期間において行う）、検証部８３は、図１１に示したような定常試験と過渡試験両方のエンジンモデルを作成して比較表示し、双方のエンジンモデルが一致するようになるまで、Ｓ３２０〜S３４０のフローを繰り返し（必要に応じて、Ｓ２４０（Ｓ５２０〜Ｓ６３０）のフローを全て又は部分的に）実行する。

モデル修正を繰り返した結果、定常試験と過渡試験の両方について、図１１の手法と同様に作成されたエンジンモデルが図１３のグラフＸとグラフＹの実線である。尚、グラフＸは、定常試験のシミュレーション結果（丸印で示される点）と、この結果に基づいて作成されたエンジンモデル（実線）、グラフＹは、過渡試験のシミュレーション結果（点線）と、この結果に基づいて作成されたエンジンモデル（実線）である。

図１３のグラフより、定常試験と過渡試験のそれぞれのエンジンモデル（実線）は、概ね一致傾向を示しており、これがエンジン制御に用いられるエンジンモデルとして確定する。モデル作成部８１は、修正されたエンジンモデル、第１温度センサモデル、第２温度センサモデルのパラメータ値をデータメモリ８２に格納する（Ｓ３５０）。

最後に、シミュレーション部８４は、確定したエンジンモデルと第２温度センサモデルを組み合わせた統合モデルを用いた統合シミュレーションを行ない（Ｓ４１０）、検証部８３は、実機試験の結果との比較を行なう（Ｓ４２０）。尚、実機試験の結果は、既に行なわれた定常試験と過渡試験の結果が用いられてもよいし、過渡試験のみ新たに実施されてもよい。過渡試験は、定常試験と異なり、点火進角の値を時間的に連続的に変化させて、かつ、全ての点火進角の値が網羅されるようにして行なわれるので、計測データが定常状態に落ち着くのを待つのに時間がかかる定常試験よりも遥かに短時間に試験が行なわれ、かつ、データ取得点数も多く、計測精度が向上する。

図１４は、実機試験により得られた温度センサ５の計測データを表すグラフＺ１と、統合シミュレーション（エンジンモデルに入力の点火進角を与えて得られた出力を更に第２温度センサモデルの入力として与えて、出力を得る）の結果得られた温度センサ５の計測データを表すグラフＺ２である。

図１４によれば、グラフＺ１とグラフＺ２は、概ね一致傾向を見せており、つまり、実機試験の結果と、作成されたモデルのシミュレーション結果が一致したということである。これにより、エンジンモデル及び第２温度センサモデルの妥当性が確認されたということになるので、最終的なモデルのパラメータがデータメモリ８２に格納される（Ｓ５００）。

ここで、両者の値が著しく異なっている等の不具合がある場合には、Ｓ３４０に戻って、各モデルのパラメータ修正の検討を行なう。

以上、エンジン計測装置の実施例につき説明したが、本発明のエンジン計測装置は、上記実施例で説明した構成要件の全てを備えたエンジン計測装置に限定されるものではなく、各種の変更及び修正が可能である。また、かかる変更及び修正についても本発明の特許請求の範囲に属することは言うまでもない。

上記実施例は、エンジン計測装置１を用いて、試験対象たるエンジン１３の性能を評価する指標のうち基本的なパラメータとされる回転数、スロットル開度、点火時期を一定にして、点火進角を変化させた時のエンジンの排気温度への影響を求めることを示したものであるが、点火進角と排気温度の関係をエンジンモデルとして求める以外にも、回転数やトルクと排気温度の関係を同様にエンジンモデル化することも可能である。また、排気温度の代わりに、排気ガスの成分別排気量をエンジンモデルの出力とすることも可能である。

本発明のエンジン計測装置１によれば、計測排気温度データに基づいて、第１推定排気温度と計測排気温度の関係を示す第１温度センサモデルが作成され、この第１温度センサモデルの周波数解析結果に基づいて、復元可能な周波数帯域において復元された第２推定排気温度と計測排気温度の関係を示す第２温度センサモデルが作成され、第２推定排気温度を真の排気温度と見なすことで、測定不可能であった真の排気温度が精度よく推定可能になるので、この推定された真の排気温度に基づいて、より正確なエンジンモデルを作成出来るようになり、燃費性能の向上、ＮＯ_Ｘ削減と、エンジン性能の向上の両立が可能なエンジン制御が行えるようになることが期待される。加えて、エンジン開発、排気ガスの触媒浄化率の向上の観点からも有効な手段が提供されると言える。

また、本発明のエンジン計測装置１により、定常試験は、最初に第１温度センサモデルを作成するためにのみ行なわれればよく、その後のモデル作成やシミュレーションは、過渡試験の結果を用いればよく、また最終的に実機試験等を行なう場合にも過渡試験を行なえばよいので、試験時間の短縮、評価検討時間の短縮に貢献することもまた期待される。

エンジン計測装置の概略接続構成を示す図である。エンジン計測装置の全体動作を示すフロー図である。図２のＳ２４０の詳細フロー図である。定常試験及び過渡試験時に測定された各種データを示す時間軸特性グラフである。定常試験における排気温度と時間の関係を表すグラフと、これを規格化したグラフと、排気温度と時間の関係をステップ応答関数に表したグラフである。定常試験における温度センサ計測データと、第１温度センサモデルにより推定された第１推定排気温度と、第１温度センサモデルのシミュレーション結果を示すグラフである。ステップ応答関数、目標インパルス応答、補正フィルタの利得−周波数特性を示すグラフである。図７のステップ応答関数、目標インパルス応答の逆ＦＦＴ結果を示すグラフである。図７の補正フィルタの逆ＦＦＴ結果を示すグラフである。計測排気温度と、第１温度センサモデルにより推定された第１推定排気温度と、第２温度センサモデルにより推定された第２推定排気温度の時間軸特性を示すグラフと、その部分拡大グラフである。定常試験データに基づいて作成されたエンジンモデル（排気温度と点火進角の関係）と過渡試験データに基づいて作成されたエンジンモデルを示すグラフである。第２温度センサモデルにより推定された第２推定排気温度と、この排気温度について目標インパルス応答の影響をなくした排気温度の時間軸特性を表すグラフである。モデル修正後、定常試験データに基づいて作成されたエンジンモデル（排気温度と点火進角の関係）と過渡試験データに基づいて作成されたエンジンモデルを示すグラフである。エンジンモデルと第２温度センサモデルを組み合わせて行なったシミュレーション結果と、実測データの時間軸特性を示すグラフである。点火進角、回転数、トルク、排気温度等のエンジン関連パラメータと、これらの間に介在するエンジンモデル、第１温度センサモデル、第２温度センサモデル、目標インパルス応答、補正フィルタの関係を示す相関図である。

符号の説明

１：エンジン計測装置
１３：エンジン
１５：ダイナモメータ
１６：架台
１６a：エンジン保持機構
１４：トルク伝達軸
１４ａ：ユニバーサルジョイント
２：検出器
３：エンジン制御部
４：ダイナモメータ制御部
５：温度センサ
７：測定部
７１：入力部
７２：データメモリ
７３：信号処理部
８：モデル作成シミュレーション部
８１：モデル作成部
８２：データメモリ
８３：検証部
８４：シミュレーション部
１０：表示部
１１：システム制御部
１２：操作部

Claims

エンジンを制御するエンジン制御部と、前記エンジンに接続されたダイナモメータの負荷トルクを制御するダイナモメータ制御部と、前記エンジン燃焼室の排気口に接続された排気管に装着された排気温度検出用の温度センサを備え、前記エンジン及びダイナモメータを駆動して行なう台上試験で前記エンジンの性能を計測するエンジン計測装置であって、
点火進角の値がステップ状に変化するように前記エンジンを駆動制御して行なう定常試験の試験条件の設定を行なうシステム制御部と、
前記定常試験実行時に、前記温度センサから得られた計測データに基づいて、前記排気口付近における第１推定排気温度と前記温度センサの計測排気温度との関係を表す第１温度センサモデルを作成し、
前記第１温度センサモデルの周波数解析結果に基づいて、前記排気口付近における排気温度を復元可能な周波数帯域を決定し、決定された周波数帯域に基づいて、前記排気口付近における第２推定排気温度と前記計測排気温度との関係を表す第２温度センサモデルを作成するモデル作成部とを備え、
前記第２温度センサモデルと前記計測排気温度に基づいて復元された前記第２推定温度を前記排気口付近で得られる真の排気温度とみなす
ことを特徴とするエンジン計測装置。
前記システム制御部は更に、
前記点火進角の値が時間的に連続して変化するように前記エンジンを駆動制御して行なう過渡試験の試験条件の設定を行なうものであり、
前記モデル作成部は更に、
前記第２温度センサモデルに基づいて復元された第２推定排気温度と、前記点火進角や回転数・トルク等のエンジンパラメータとの関係を表すエンジンモデルを作成するものであり、
前記エンジン計測装置は更に、
作成された前記第１温度センサモデル、第２温度センサモデル、エンジンモデルのシミュレーションを行なうシミュレーション部と、
前記シミュレーション部における前記定常試験と過渡試験のそれぞれのシミュレーション結果の比較検証を行なう検証部を備え、
前記モデル作成部は、
前記検証部の比較検証結果に基づいて、前記エンジンモデル、第１温度センサモデル、第２温度センサモデルのいずれか１以上の修正を行ない、前記真の排気温度の推定精度を向上させる
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン計測装置。
前記シミュレーション部は、
前記エンジンモデル及び前記第２温度センサモデルを組み合わせたモデルのシミュレーションを行い、
前記検証部は、
前記シミュレーション結果と、実機試験により得られた計測排気温度のデータとを比較する
ことを特徴とする請求項２に記載のエンジン計測装置。
前記モデル作成部は、
前記第１温度センサモデルとして得られたステップ応答関数の周波数特性から、復元可能な周波数帯域を定めた目標インパルス応答関数を設計し、
前記目標インパルス応答関数と前記ステップ応答関数とに基づいて、前記第２推定排気温度を復元するための補正フィルタを設計し、
前記目標インパルス応答関数と補正フィルタを前記第２温度センサモデルとする
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のエンジン計測装置。
前記モデル作成部は、
前記第２温度センサモデルに基づいて復元された第２推定排気温度と、当該第２推定排気温度のデータに前記目標インパルス応答関数の乗算を行なった結果得られたデータとを比較して、両者の差が一定値に収束するように、前記ステップ応答関数、目標インパルス応答関数、補正フィルタのいずれか１以上を修正する
ことを特徴とする請求項４に記載のエンジン計測装置。
前記モデル作成部は、
前記第１温度センサモデルを、ＡＲＸ手法により作成する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のエンジン計測装置。