JP2009198305A - エンジン制御部品の実験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの制御システムを構成する各種のエンジン制御部品について、エンジン装着時の様々な運転状態における性能を試験することができるようにすることを課題とする。
【解決手段】実際にエンジンに取り付けられるエンジン制御に必要な各種のエンジン制御部品が、実際のエンジンに装着したと同様に電送ならびに燃料供給可能な状態に構築されており、前記エンジン制御部品を構成する電子制御ユニットに書き込んだ実際のエンジンの実験データを基にして実際のエンジンと同じ条件で特定の数式モデルを用いてモデルベース制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの制御システムを構成する各種の制御部品について、エンジン装着時の様々な運転状態における性能を試験することができるエンジン制御部品の実験方法に関する。

従来、例えば電子式エンジンの空燃費を制御する場合に、マップやフィードバック制御に代わって例えば特開平１０−２７００８号公報に提示されているように、モデルベース制御が行われている。

ところで、エンジン制御搭載用として新しく開発する例えばアクチュエータなどのエンジン制御部品は、開発のタイミングが必ずしも互いに一致しないことから、各部品をエンジンシステム全体に取り付けた条件で実験を行い、性能を確認することが容易ではないことから性能試験は、各々の部品単体で実施されているのが一般的である。

このように、従来は、単体で行われた各エンジン制御部品の機能・性能については実際のエンジンシステムで実験を行った際に、他のエンジン制御部品との相互作用や種々の要因による性能のバラツキなどの問題が生じて各性能試験の実施に時間を要してしまい、その部品の設計見直しを繰り返すことになるため開発期間遷延の大きな原因の一つとなっていた。特に、エンジンの負荷変動や過渡応答時における応答性等の確認は極めて困難であった。

この問題に対し、車両搭載用のエンジンシステムを構成する各種のエンジン制御部品の性能を、ほぼ実機に搭載したのと同様な条件を再現するシミュレーションツールを用いて試験するものとした自動車部品の試験装置が特開２００２−２０６９９１号公報に提案されている。

このシミュレーションツールを用いる試験装置を使用することにより、各部品の性能についてエンジンシステムに搭載したのと近似した条件で試験できるようになった。しかし、この試験装置を用いた場合でも、エンジンのあらゆる運転状態における各部品の性能を試験することは実際上困難であり、特に、シミュレーションツールはエンジン制御部品を実機に取り付けた実機と異なり単に実機に搭載したのと同様な条件を机上で再現できるようにしたものであることから様々な運転状態における電子制御ユニットの応答性等の制御性能を含むハード面及びソフト面をチェックすることは容易ではない。
特開平１０−２７００８号公報 特開２００２−２０６９９１号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、エンジンの吸入空気流量やエンジン回転数に応じて燃料噴射量を制御可能にするとともに、エンジンシステムを構成する各エンジン制御部品の性能についてあらゆる運転状態における動作の確認試験を容易に実施できるようにし、併せて電子制御ユニット（ＥＣＵ）のチェックも行え、制御ロジックもそのまま実際のエンジンやエンジンか搭載される実車に適応することができて開発期間を大幅に短縮することができる優れたエンジン制御実験方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明であるエンジン制御実験装置における
実際にエンジンに取り付けられるエンジン制御に必要な各種のエンジン制御部品が、実際のエンジンに装着したと同様に電送ならびに燃料供給可能な状態に構築されており、前記エンジン制御部品を構成する電子制御ユニットに書き込んだ実際のエンジンの実験データを基にして実際のエンジンと同じ条件でモデルベース制御を行うエンジン制御実験方法において、前記電子制御ユニットにおいて実行される燃料噴射制御、エンジン回転数制御、空燃比制御に用いるスロットルシステムの数式モデルとして次の状態方程式及び出力方程式が含まれている場合には吸気系に関するエンジン制御部品の実験装置性能についてあらゆる運転状態における動作の確認試験を容易に実施できる。

また、前記エンジン制御実験装置において、前記電子制御ユニットにおいて実行される燃料噴射制御、エンジン回転数制御、空燃比制御に用いる吸気マニホルドの数式モデルとして次の状態方程式及び出力方程式が含まれている場合にはエンジン回転系に関するエンジン制御部品の実験装置性能についてあらゆる運転状態における動作の確認試験を容易に実施できる。

更に、前記エンジン制御実験装置において、前記電子制御ユニットにおいて実行される燃料噴射制御、エンジン回転数制御、空燃比制御に用いるエンジン回転系の数式モデルとして次の状態方程式及び出力方程式が含まれている場合にはエンジン回転系に関してエンジン制御部品の実験装置性能についてあらゆる運転状態における動作の確認試験を容易に実施できる。

更にまた、前記エンジン制御実験装置において、前記電子制御ユニットにおいて実行される燃料噴射制御、エンジン回転数制御、空燃比制御に用いる燃料系全体の数式モデルとして次の状態方程式及び出力方程式が含まれている場合には燃料系に関してエンジン制御部品の実験装置性能についてあらゆる運転状態における動作の確認試験を容易に実施できる。

本発明である数式モデルを、各種のエンジン制御部品についての実機を実際にエンジンに装着した状態で、電子制御ユニッに書き込んだ予め設定した実機による実験データを基にして形成された数式モデルを用いて実際に各エンジン制御部品についての実機について総合的に運転状態の各種データを推定して各エンジン制御部品を装着した実際のエンジンと同じ条件で実験をすることが可能であり、あらゆる運転状態において容易に試験できることに加え、電子制御ユニットのハード及びソフトについても併せてチェックすることができ、開発期間が大幅に短縮される。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明である実験方法に用いる実験装置の配置図を示すものであり、仮装のエンジン１には各種のエンジン制御部品の実機が実機のエンジンに装置役される場合とほぼ同様に電送ならびに燃料供給が可能な状態に構築されている。具体的には、複数の点火栓を有する点火装置７、複数のインジェクタ６、そのインジェクタ６には燃料タンク２から延設され途中に燃料ポンプ４を配設した燃料配管が接続されている。また、燃料噴射制御装置である電子制御ユニット１０は、そのインジェクタ６及び燃料ポンプ４のモータ５を駆動制御するとともに電子スロットル装置８を駆動制御するようになっている。

また、電子制御ユニット１０には、イグニッションスイッチ１１、電子スロットル装置８に付設したスロットル角度センサ１２、アクセルペダルセンサ１３、エンジン点火系３に配設されたエンジンの回転数を測定するためのクランク角センサ１４、カムセンサ１５、及び燃料噴射圧センサ１６が接続されており、各出力信号が入力されるようになっている。

そして、前記電子制御ユニット１０は、燃料噴射制御装置であると同時にエンジン回転数制御装置、空燃比制御装置を兼ねているが、これに加えて以下に詳述するエンジン部品の試験方法を実施する試験装置の中核部分を構成しており、その記憶部に、予め実エンジンの実験データから導出した数式モデルを用いて様々な運転状態について実際に運転することを要さずにエンジン制御部品の性能を試験することを可能とするエンジン制御部品試験用のモデル制御プログラムが記憶されている。

本実施の形態を用いて実験を行うには、まず、イグニッションスイッチ１１をＯＮ操作し、このとき（即ち、エンジン始動時）のスロットル角度センサ１２、アクセルペダルセンサ１３、クランク角センサ１４、カムセンサ１５、燃料噴射圧センサ１６からのセンサ信号が電子制御ユニット１０に入力される。

前記電子制御ユニット１０では、前記入力された各種のセンサ信号を前述の予め電子制御ユニット１０に書き込んである実機による実験データを基にして形成された本発明である数式モデルを用いて計算を行う。このとき、例えばエンジン回転数、エンジン水温、車速、スロットル角度、エンジンに必要な空気流量などのエンジン制御に必要な情報を目標信号として算出し、これを電子制御ユニット１０において、前記モデルから算出された情報により噴射時間を決定し、クランク角センサ１４、カムセンサ１５からなるエンジン回転数測定機器、電子スロットル装置８、燃料ポンプ４、点火装置７、インジェクタ６などのエンジン制御部品が与えられた目標値に収束するように実際の場合と同様に制御する。

このように、本実施の形態によれば、エンジンの如何なる運転条件においても実際のエンジン回転数、スロットル角度、燃料噴射圧力および他の状態を含めて常に指定された目標値に収束していることが確認でき、本発明がきわめて有効であることが実証された。

以下に、本発明における実施の形態である電子制御ユニット１０におけるプログラムによるモデルベース制御の数式について詳細に説明する。

（１）吸気系の数式モデル：
(a)スロットルシステムの数式モデル
電子制御スロットルシステムについての数式モデルを次のようなものとする。先ず、電子スロットル装置８のスロットル駆動部分であるＤＣモータの電気的な特性を検討すると、電機子回路について電機子における電流と電圧の関係はキルヒホッフの法則により、以下の式（１）で表される。

次に、スロットルの機械的特性を検討すると、モータの発生トルクをT=NK_ti_a
とすれば、ニュートンの法則により最終的に電子制御スロットルシステムの運動方程式は次のように求められる。

モータ電流が遅れなく制御できる（電機子のインダクタンス成分Ｌは無視できる）と仮定し、式（１）を式（２）に代入すると次式を得る。

(b)吸気マニホルドの数式モデル
スロットルを通過して吸気マニホルドへ導かれる空気の質量流量は、スロットル開度のみからなる関数と、大気圧力とマニホルド圧力からなる二つの関数により次のように求められる。

一方、マニホルドからシリンダへの空気質量流量は、エンジン回転数とマニホルド圧力により次式のように求められる。

従って、吸気系のモデルは式（６）と式（９）を用い、マニホルド圧力に対する微分方程式により次のように求められる。

（２）エンジン回転系の数式モデル
エンジン回転系の運動方程式は次式で表される。

（３）燃料系の数式モデル
(a)ポンプ駆動モータの数式モデル
燃料ポンプ４の駆動部分である直流モータ５の数式モデルは、従来からよく知られているように次式のように与えられる。

(b)ポンプ吐出圧力と燃料噴射量の数式モデル
ポンプ吐出圧力及び燃料噴射量は次の式によって実験的に求められる。

上述のような数式モデルを含む制御ロジックを実行する電子制御ユニット１０は、この数式モデルを使用することによりエンジンの燃料噴射制御に加え、エンジン回転数制御、吸入空気流量制御、空燃比制御を的確に実行できるようになっている。このことから、本実施の形態のエンジン部品の試験装置は、その制御結果を確認することにより、エンジンシステムを構成する各部品の性能確認を実施することだけでなく、電子制御ユニット１０のハード、ソフト及び総てのエンジン制御ロジックも同時にチェックすることができる。

次に、本実施の形態のエンジン部品の制御装置の動作及び作用を具体的に説明する。本発明のエンジン部品の試験装置の目的は、エンジン１の吸入空気流量やエンジン回転数に応じて燃料噴射量を制御するとともに、総ての運転条件において、エンジン１に取り付けられた部品、センサ、アクチュエータ、電子制御ユニット１０（ハードとソフト）及びその制御ロジックの動作を同時に確認することにある。

エンジン始動時、即ちイグニッションスイッチ１１のＯＮ時、スロットル角度センサ１２、アクセルペダルセンサ１３、クランク角センサ１４、カムセンサ１５、燃料噴射圧センサ１６からの出力信号が電子制御ユニット１０に入力される。入力されたセンサ信号を、さらに実験等によりモデル化された上述のエンジンの数式モデルに適用し、ＣＰＵで各々算出する。

即ち、これらの数式モデルを使用してエンジン回転数、エンジン水温、車速、スロットル角度、及びエンジンに必要な空気流量等の計算を行う。計算されたエンジン回転数、スロットル角度等を目標信号として通常の制御手順に引き渡し、このようにモデル計算された情報から噴射時間を決定し、エンジン回転系３、電子スロットル装置８、燃料ポンプ４、点火装置７、インジェクタ６などが目標値に収束するように制御を行う。

本実施の形態のエンジン部品の試験装置を用いて実際に試験を行った結果、エンジン１のどんな運転条件であっても実エンジン回転数、スロットル角度、燃料噴射圧力、及び他の検出値が常に指定された目標値に収束し、各部品、アクチュエータ、電子制御ユニット１０のハード及びソフト等が正しく動作していることが確認できた。従って、本発明が極めて有効であることが分かった。

以上、述べたように、本実施の形態である数式モデルを用いることによりエンジン制御部品ついて性能の確認と、電子制御ユニットのハート゛、ソフトおよび全てのエンジン制御ロジックも同時に確認することができる。

本発明を実施するための制御実験装置の配置図。

符号の説明

１ エンジン、２ 燃料タンク、３ エンジン回転系、４ 燃料ポンプ、５ ＤＣモータ、６ インジェクタ、７ 点火装置、８ 電子スロットル装置、１０ 電子制御ユニット、１１ イグニッションスイッチ、１２ スロットル角度センサ、１３ アクセルペダルセンサ、１４ クランク角センサ、１５ カムセンサ、１６ 燃料噴射圧センサ

Claims (4)

1. 実際にエンジンに取り付けられるエンジン制御に必要な各種のエンジン制御部品が、実際のエンジンに装着されており、前記エンジンに装着したと同様に電送ならびに燃料供給可能な状態に構築されており、前記エンジン制御部品を構成する電子制御ユニットに書き込んだ実際のエンジンの実験データを基にして実際のエンジンと同じ条件で数１に記載の数式を用いてモデルベース制御を行うことを特徴とするエンジン制御部品の実験方法。
   

   
2. 実際にエンジンに取り付けられるエンジン制御に必要な各種のエンジン制御部品が、実際のエンジンに装着されており、前記エンジンに装着したと同様に電送ならびに燃料供給可能な状態に構築されており、前記エンジン制御部品を構成する電子制御ユニットに書き込んだ実際のエンジンの実験データを基にして実際のエンジンと同じ条件で数２に記載の数式を用いてモデルベース制御を行うことを特徴とするエンジン制御部品の実験方法。
   

   
3. 実際にエンジンに取り付けられるエンジン制御に必要な各種のエンジン制御部品が、実際のエンジンに装着されており、前記エンジンに装着したと同様に電送ならびに燃料供給可能な状態に構築されており、前記エンジン制御部品を構成する電子制御ユニットに書き込んだ実際のエンジンの実験データを基にして実際のエンジンと同じ条件で数３に記載の数式を用いてモデルベース制御を行うことを特徴とするエンジン制御部品の実験方法。
   

   
4. 実際にエンジンに取り付けられるエンジン制御に必要な各種のエンジン制御部品が、実際のエンジンに装着されており、前記エンジンに装着したと同様に電送ならびに燃料供給可能な状態に構築されており、前記エンジン制御部品を構成する電子制御ユニットに書き込んだ実際のエンジンの実験データを基にして実際のエンジンと同じ条件で数４に記載の数式を用いてモデルベース制御を行うことを特徴とするエンジン制御部品の実験方法。
   

   

   
   

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