JP2014206163A - エンジン制御装置内で点火角度を決定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】最小の燃料消費量及び排ガスエミッションの観点から最善の点火時点が決定法を提供する。【解決手段】少なくとも１つのデータに基づくモデルを用いて複数の入力値ｒｌ，ｎ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいて点火時点ＺＷｆｉｎａｌが定められる。例えば、少なくとも１つのデータに基づく前記モデル１１はデータに基づく点火角度モデル１１、及び／又は、前記点火角度モデルにより定められた点火時点ＺＷを修正するための１つ又は複数の別のデータに基づく修正モデルを含んでいる。【選択図】図２

Description

本発明は、非自己点火式の内燃機関のための制御に関するものであり、特に、エンジン制御装置内で点火時点を決定する方法に関するものである。

内燃機関、特に非自己点火式の内燃機関、たとえばガソリンエンジンのためのエンジン制御装置では、内燃機関の複数の可変の動作パラメータについて、燃焼されるべき燃料に依存して、最小の燃料消費量及び排ガスエミッション及びその他の基準の観点から最善の点火時点が決定される。可変の入力値には、基本的に、エンジン回転数とエンジン負荷、内燃機関の燃焼室での充填運動に影響を及ぼすための位置決め要素の位置を調節可能なカムシャフトを通じて影響を及ぼすことが可能であるバルブ制御時間、などが含まれる。

点火時点は、内燃機関のシリンダ内でのピストンの上死点を基準として定義される。これは点火角度とも呼ばれるが、それは、この時点が、通常では、上死点に対して相対的なクランク角の角度で表されるからである。

基本的に、早期の点火時点は熱力学的により高い効率につながる。経験上、ピストンの上死点を過ぎてから６°のクランク角度から８°のクランク角度の間の燃焼重心位置を生じさせる点火時点についての効率がもっとも高い。しかしこれ以上に早期の点火時点は、通常では、再び効率の低下及びエミッションの上昇につながる。

そのつどの内燃機関の動作領域や入力値の最新の値に依存して、状況によっては、内燃機関のノッキングが発生する可能性がある領域に最善の点火時点が位置する。このことは、早くなる方向への点火時点の限界となる。

特許文献１より、車両の動作中に、動作中に定められる少なくとも１つの入力値に基づいて、車両の機能を制御するための少なくとも１つの出力値が特性マップを用いて算出される制御装置が公知である。さらにこの制御装置は、動作前に出力値及び入力値について定められる訓練値のベイズ回帰を利用した上で、出力値の算出を実行することが構想されている。

独国特許出願公開第１０２０１００２８２６６号明細書

本発明に基づいて、請求項１に記載された内燃機関のための点火時点を提供する方法、ならびに同等の独立請求項に記載された装置、エンジンシステム、及びコンピュータプログラム製品が構想される。

本発明のその他の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

第１の観点によれば、非自己点火式の内燃機関を作動させるための最善の点火時点を決定する方法が構想され、少なくとも１つのデータに基づくモデルを用いて複数の入力値に基づいて点火時点が定められる。

特に、少なくとも１つのデータに基づくモデルは、データに基づく点火角度モデル、及び／又は、点火角度モデルにより定められた点火時点を修正するための１つもしくは複数の別のデータに基づく修正モデルを含むことができる。

従来使用されているエンジン制御装置は、点火時点を決定するために、一方では、回転数と相対的な充填度とによって特性マップで点火時点（点火角度）を定義する、特性マップに基づく構造を設けている。この場合、たとえばカムシャフトの位置のような別の各々の可変の入力値又はエンジンパラメータが、このような特性マップの数を乗算的に増やしていく。たとえば、調節パラメータの極点及び中間サンプル点を用いてデータ化された別の各々の入力値（エンジンパラメータ）について、特性マップの数は２倍又は４倍になる。連続的に調節可能な動作パラメータは、中間値を得るために、これらの特性マップ出力からの補間を必要とする。

他方では、同じく回転数と相対的な充填度とを含む特性マップで最善の点火時点がマッピングされ、その他の調節パラメータのマッピングは残留ガス含有量を表すモデル量を通じて行われる、残留ガスに基づく構造が適用されている。

特性マップに基づく構造における欠点は、調節パラメータのそれぞれの極点の間で線形補間しか行われないことにある。これにより、実現可能な精度が制限され、特に、点火時点を定めるために（最適化目標）、たとえば熱力学的な最善状態や内燃機関のノッキングの回避などのさまざまに異なる基準が、動作領域と入力値に依存して有効になることにより、実現可能な精度が制限される。

残留ガスに基づく構造では、熱力学的に最善に作動させることができる動作領域についての中間領域は、経験上、良好にマッピングされるが、ノッキングが発生する動作領域に熱力学的な最善状態が位置している動作領域は、限定的に正確な補間構造を通じてしかマッピングすることができない。

したがって上述の方法は、各々の動作点、入力値、及び燃料を特徴づけるパラメータについてのモデル関数の計算によって最善の点火時点を定める、データに基づく点火角度モデル、及び／又は、点火時点を定めるための１つ又は複数のデータに基づく修正モデルを提供することを構想している。データに基づく点火角度モデルの使用、又は１つ又は複数のデータに基づく修正モデルの使用は、動作点の間及び入力値の間の線形補間に基づく不正確さが発生せず、したがって、点火時点をより正確に調整することができるという利点を有している。これにより、先に説明したアプローチに対して、各々の入力値（動作点）の組み合わせ及びパラメータの組み合わせについて、ならびにさまざまに異なる燃料（たとえばエタノール含有量）について、点火時点を最善に表現することができ、このことは、燃料消費量の削減及び／又はエンジン出力の向上及び／又は改善された排ガスエミッションをもたらす。

データに基づく点火角度モデル、又は１つ又は複数のデータに基づく修正モデルは、次の入力値、即ち、内燃機関の回転数、エンジン負荷（たとえば内燃機関のシリンダの相対的な空気充填度）、内燃機関の吸気カムシャフトの位相位置、内燃機関の排気カムシャフトの位相位置、吸気弁又は排気弁のバルブストローク、充填運動に影響を及ぼすためのアクチュエータの位置、吸気管ジオメトリーに影響を及ぼすためのアクチュエータの位置、シリンダ内の空燃比を表すためのラムダ値、及び燃料を特徴づけるための値（たとえばエタノール含有量）のうち、少なくとも２つを適用することができる。

更なる別の実施形態では、点火角度モデルに加えて、現在の点火時点の結果として生じる燃焼に関する推定を行うために利用される１つ／複数の別のデータに基づく修正モデルが提供されることが構想されていてよい。この信号は、以後の処理において、エンジン作動中における点火時点の最適化を可能にする。このモデルのための入力信号は、上に説明したデータに基づく点火角度モデルと同じであってよく、点火時点を変化量として追加的に含むことができる。

１つの実施形態では、結果として生じる燃焼重心位置に関するデータに基づくモデルが提供される。

１つ又は複数の別のデータに基づく修正モデルは、入力信号として、点火時点を変化量として追加的に利用することが構想されてもよい。

一実施形態によれば、燃焼ピーク圧力のような別の特性量、内燃機関の回転安定性を特徴づけるための特性量、及び／又は結果として生じる未処理エミッションに関する別のデータに基づく修正モデルを提供することができる。

一実施形態によれば、これら信号は、点火時点を最適化することができるかどうか（実行条件）を作動中に決めて、燃料消費量と排ガスエミッションに関して点火時点を最適化するために利用される。たとえば、最新の点火時点の結果として生じる燃焼重心が、最善の動作について想定される所定の燃焼重心よりも遅れているときには、早くなる方向への調節を実行し、ノッキング限界まで点火時点をずらすための信号が生成されることが構想されていてよい。

特に、１つ又は複数の別のデータに基づく修正モデルに由来する１つ又は複数のモデル量を用いて点火時点を最適化し、及び／又は早くなる方向への点火時点の調節を制限することができ、その際に、上記１つ又は複数のモデル量は、現在又は将来に出力される点火時点に依存して燃焼を特徴づける。

一実施形態によれば、代替的に、ノッキングによって制限される領域を定義する役目を果たすデータに基づくモデルを提供することができる。これは論理信号（真／偽）であってよい。この信号は、動作中に点火時点を早くなる方向へノッキング限界までずらすことを実行する役目を果たす。

エンジン作動中での点火時点の最適化は、たとえば製造公差に依存するエンジン個別的なノッキング傾向及び／又は状況依存的なノッキング傾向を考慮することができるという利点を有しており、このことは、燃料消費量のいっそうの削減及び／又はエンジン出力の向上につながる。

データに基づく点火角度モデルは、燃費及びエミッションが最適化された点火時点を出力値として出力することを構想してもよい。

他の観点によれば、非自己点火式の内燃機関を作動させるために点火時点を決定する装置、特に制御装置が構想されており、この装置は、少なくとも１つのデータに基づく関数モデルを用いて複数の入力値に基づいて点火時点を定めるために構成されている。

他の観点によれば、内燃機関と上記の装置とを備えるエンジンシステムが構想される。

他の観点によれば、データ処理装置で実行された場合に上記の方法を実施するプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品が構想される。

次に、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。図面は次のものを示している。

エンジン制御装置を備えるエンジンシステムを示す概略図である。 調整されるべき点火角度を決定する方法を説明するための機能図である。

図１は、内燃機関２と、内燃機関２を作動させるためのエンジン制御装置３と、を備えるエンジンシステム１を概略的に示している。内燃機関２は非自己点火式の内燃機関として、特にガソリンエンジンとして構成されており、複数の、本実施例では４つのシリンダ２１を有している。

各々のシリンダ２１は、該当するシリンダ２１の燃焼室内での燃焼に必要な空気を吸気し、燃焼排ガスを燃焼室から排気するために、少なくとも１つの吸気弁２２と少なくとも１つの排気弁２３とを備えている。

さらに、該当するシリンダ２１の燃焼室内にある燃料／空気混合気の点火を誘起し、それによって部分駆動トルクをクランクシャフト２５に印加するために、各々のシリンダ２１について点火装置が設けられている。内燃機関２の回転数を検出する回転数センサ２６がクランクシャフト２５に配置されており、又はクランクシャフト２５と結合されている。

吸気弁の開放時点及び閉止時点、並びに排気弁の開放時点及び閉止時点を設定するために、それぞれ位相位置を備える吸気カムシャフト及び排気カムシャフト（図示せず）がクランクシャフト２５と連結されている。

エンジン制御装置３は、クランクシャフト２５を介して所望の駆動トルクが提供されるように、内燃機関２を外部の設定量Ｖにしたがって作動させる役目を果たす。エンジン制御装置３は、その他の種々の調節量に加えて、点火装置２４の点火時点を設定するというタスクも有している。

点火時点は、該当するシリンダ２１の中でのピストンの運動の上死点の時点に対して相対的に定められ、通常、該当するシリンダ２１の上死点に対するクランクシャフト２５の角度で表される。

それぞれの点火装置２４の点火について設定されるべき点火時点（点火角度）を決定するために、エンジン制御装置３では、データに基づく点火角度モデルに基づく関数構造がソフトウェア又はハードウェアにより設定されている。

特性マップに基づくモデルに対して、データに基づく関数モデルは、出力値に対する入力値の関数関係を構想したものである。非パラメータ的なデータに基づく関数モデルの適用はベイズ回帰法に基づいている。ベイズ回帰の基礎は、例えば、Ｃ．Ｅ．Ｒａｓｍｕｓｅｎらによる「Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ Ｆｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ」（ＭＩＴ Ｐｒｅｓｓ、２００６年）に記載されている。ベイズ回帰は、データに基づく方法であって、モデルに基づいている。

関数関係を定めるために、サンプル内燃機関の特定の動作点が訓練動作で設定される。モデルを作成するために、訓練データの測定点、及び、これに対応する出力値の出力データが必要である。モデルは、訓練データに完全又は部分的に対応し又訓練データから生成されるサンプル点データが利用されることによって作成される。さらに、モデル関数の空間をパラメータ化し、後のモデル予測に対する訓練データの個々の測定点の影響を効果的に重みづけする、抽象的なハイパーパラメータが決定される。

抽象的なハイパーパラメータは、適当な数学的な近似法又は最適化法により決定される。関数関係は、通常は非線形である。最適化目標にしたがって、最適化された出力値を定めることができる。たとえば燃費とエミッションが最善の点火時点を、点火角度範囲の走査より定めることができる。このような最適化方法の１つの可能性は、周辺尤度ｐ（Ｙ｜Ｈ，Ｘ）の最適化にある。周辺尤度ｐ（Ｙ｜Ｈ，Ｘ）は、モデルパラメータＨ及び訓練データのｘ値が与えられたときのベクトルＹとして表現される、測定された訓練データのｙ値の妥当性を表している。モデル訓練では、データを特別に良好に説明することができる適当なハイパーパラメータが探索されることによって、ｐ（Ｙ｜Ｈ，Ｘ）が最大化される。計算を簡素化するために、ｐ（Ｙ｜Ｈ，Ｘ）の対数が最大化される。対数は妥当性関数の連続性を変化させないからである。

その際に、最適化方法は、自動的に、モデルの複雑性とモデルのマッピング精度（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇｓｇｅｎａｕｉｇｋｅｉｔ）との間のトレードオフ（Ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）をもたらす。連続的なモデル複雑性により、訓練データの任意の高さのマッピング精度を実現することができるものの、それと同時に、このことは訓練データに合わせたモデルの過度の適合化につながり、そのために比較的低い一般化特性につながる。

図２の機能図に示すようなデータに基づく点火角度モデル１１は、関数モデルブロック１０の一部であり、入力値として回転数ｎ、エンジン負荷を表すための値（たとえばシリンダ２１の空気充填度を表す相対的なシリンダ充填度ｒｌ）、及び調節要素のパラメータＶ１−Ｖｎ、たとえば吸気カムシャフトの位相位置Ｖ１、排気カムシャフトの位相位置Ｖ２、ラムダ値Ｖ３、又はその他の入力値、たとえばエンジンシステム１における種々のアクチュエータの調整位置、又は燃料を特徴づけるための値を有することができる。

燃料／空気比率ラムダ（λ）は、同じくデータに基づく点火角度モデルの入力値であってよいが、代替的に、従来式の特性曲線／特性マップ構造を通じて影響を導き出すこともできる。同様のことは温度や環境要因、たとえばエンジン温度の影響や吸込温度の影響についても当てはまる。データに基づくモデルは、入力値に応じて、点火角度モデルに対応する点火角度ＺＷを出力値として出力する。

さらに、データに基づく点火角度モデルと、現在又は将来の（たとえば制御介入の際に設定される燃焼の）影響に関する情報を出力信号ＦＳとして与える、関数モデルブロック１０の別のデータに基づく修正モデル１２と、を組み合わせることができる。このような出力信号には、たとえば内燃機関２の燃焼の重心位置（ＭＦＢ５０％）に関する表示、ノッキングを起こす燃焼が潜在的に発生する可能性があるかどうかの表示、内燃機関２の燃焼のピーク圧力表示、内燃機関２の未処理エミッション値などが含まれていてよい。ノッキングを起こす燃焼が潜在的に発生するかどうかの表示は、ノッキングを起こす燃焼の範囲と、確実にノッキングを起こさない燃焼の範囲と、を相互に区分する表示である。

コントロールユニット１３では、出力信号ＦＳがノッキング制御部１４の調節信号ＫＳにより処理されて、修正信号ＫＯが獲得される。コントロールユニット１３は、制御構造及び適合部を含むことができる。データに基づく点火角度モデル１１から出力される点火角度ＺＷは、加算素子１６での加算式の処理によって修正信号ＫＯの修正値により修正され、従って、実際の点火角度ＺＷｆｉｎａｌは、個別的なノッキング限界の近傍にあり、効率が最適で、未処理エミッション値に関して最適であり、エンジンの限界値（たとえば内燃機関２の燃焼ピーク圧力）を超えない。加算式の処理に代えて、乗算式の処理も考えられる。

ノッキング制御部１４は、聴覚的なノッキングセンサ１５のセンサ値に基づくものである。

その際に、コントロールユニット１３は、たとえば内燃機関２の燃焼ピーク圧力のような固有の限界値と、効率が最適な動作のための目標値（たとえば燃焼の重心位置）と、を含むことができ、点火角度ＺＷの早期調節がどの程度まで可能であるか、すなわち、状況依存的な現在の内燃機関２のノッキング限界にいつ到達するかについての情報として、ノッキング制御部の信号を利用する。コントロールユニット１３の制御構造のための入力値は、たとえば将来の燃焼についての予測される値であってもよい（たとえば、点火時点を調節した際に重心位置がどの程度変化するか）。そのために、現在の点火角度のみならず、将来的に設定すべき点火角度においても、データに基づくモデルを照会することができる。

コントロールユニット１３からの制御値は、点火角度モデルの長期的な適合のためのベースとして利用することができる。

公知のアプローチに対して、上記適合の実行によって、回転数と負荷に依存する領域に関してだけでなく、すべてのパラメータ組み合わせに関しても、正確に表現することができる。

コントロールユニット１３のための入力値は、内燃機関２のノッキング傾向に影響を及ぼす環境要因、たとえば吸込温度、エンジン温度又はオイル温度、及びシリンダ内での空燃比ラムダ（λ）であってもよい。

潜在的にノッキングを起こす動作領域を区別する可能性によって、これらのそれぞれの要因を、ノッキングを起こすこのような燃焼を特徴づける領域についてのみ考慮することもできる。

１ エンジンシステム
２ 内燃機関
３ エンジン制御装置
１０ 関数モデルブロック
１１ データに基づく点火角度モデル
１２ データに基づく修正モデル
１３ コントロールユニット
１４ ノッキング制御部
１５ ノッキングセンサ
１６ 加算素子
２１ シリンダ
２２ 排気弁
２４ 点火装置
２５ クランクシャフト
２６ 回転数センサ
ＺＷｆｉｎａｌ 点火時点
ｒｌ，ｎ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３ 入力値

Claims (16)

1. 非自己点火式の内燃機関（２）を作動させるための点火時点（ＺＷｆｉｎａｌ）を決定する方法において、
   少なくとも１つのデータに基づくモデルを用いて複数の入力値（ｒｌ，ｎ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）に基づいて点火時点（ＺＷｆｉｎａｌ）が決定される、方法。
2. 少なくとも１つのデータに基づく前記モデル（１１）はデータに基づく点火角度モデル（１１）、及び／又は、前記点火角度モデルにより定められた点火時点（ＺＷ）を修正するための１つ又は複数の別のデータに基づく修正モデルを含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. データに基づく前記点火角度モデル（１１）及び／又は１つ又は複数の別のデータに基づく前記修正モデルは、次の入力値（ｒｌ，ｎ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）すなわち、
   内燃機関（２）の回転数（ｎ）、
   エンジン負荷、
   内燃機関（２）の吸気カムシャフトの位相位置、
   内燃機関（２）の排気カムシャフトの位相位置、
   吸気弁（２２）又は排気弁（２３）のバルブストローク、
   充填運動に影響を及ぼすためのアクチュエータの位置、
   吸気管ジオメトリーに影響を及ぼすためのアクチュエータの位置、
   シリンダ内の空燃比を表すためのラムダ値、及び、
   使用する燃料を定義するための値、
   のうち少なくとも２つを獲得する、請求項２に記載の方法。
4. 前記エンジン負荷が、内燃機関（２）のシリンダの相対的な空気充填度を表示したものである、請求項３に記載の方法。
5. １つ又は複数の別のデータに基づく前記修正モデルは入力信号（ｒｌ，ｎ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）として追加的に点火時点を変化量として利用する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. １つ又は複数の別のデータに基づく前記修正モデル（１１）に由来する１つ又は複数のモデル量を用いて点火時点（ＺＷ）が最適化され、及び／又は点火時点（ＺＷ）の調節が早くなる方向で制限され、１つ又は複数の前記モデル量は、現在又は将来に出力される点火時点（ＺＷｆｉｎａｌ）に基づいて燃焼を特徴づける、請求項２〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 最新の点火時点（ＺＷｆｉｎａｌ）の結果として生じる燃焼重心（ＭＦＢ５０％）が所定の燃焼重心よりも遅れていることが確認されると、早くなる方向への点火時点（ＺＷ）の調節が実行される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記点火時点（ＺＷ）はノッキング制御部（１４）により制御される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記点火時点（ＺＷ）は、ノッキング制御部（１４）により、早くなる方向へと制御される、請求項８に記載の方法。
10. データに基づく前記点火角度モデル（１１）は、燃費及びエミッションが最適化された点火時点（ＺＷ）を出力値として出力する、請求項２〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 非自己点火式の内燃機関（２）を作動させるための点火時点（ＺＷｆｉｎａｌ）を決定する装置において、
    前記装置は、少なくとも１つのデータに基づく関数モデルを用いて複数の入力値（ｒｌ，ｎ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）に基づいて前記点火時点（ＺＷ）を定めるために構成されている、装置。
12. 前記装置は、電子制御装置である、請求項１１に記載の装置。
13. 内燃機関（２）と、請求項１１又は１２に記載の装置とを有しているエンジンシステム（１）。
14. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法をコンピュータに実行させるために構成されているコンピュータプログラム。
15. 請求項１４に記載のコンピュータプログラムが格納されている電子記憶媒体。
16. 請求項１５に記載の電子記憶媒体を有している電子制御装置。

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