JP2014224786A - エンジンモデル作成方法およびエンジンモデル作成システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、エンジンの様々な運転条件と排ガス中のＮＯｘや燃費などとの関係を表わすエンジンモデルを作成するエンジンモデル作成方法およびエンジンモデル作成システムに関し、従来と比べより広範な運転条件下で誤差を低減させたエンジンモデルを作成する。
【解決手段】 エンジンを運転しながら、説明変数としてのエンジン制御パラメータの調整および目的変数としてのエンジン特性値の測定を繰り返しながら、それらの調整および測定とを繰り返す間のエンジンの代表点の温度を予測又は測定する第１ステップと、第１ステップで得られた説明変数および目的変数にさらに、エンジンの代表点の温度の予測値又は測定値を表わす温度変数を加えた複数の変数どうしの間の関係を表わすエンジンモデルを作成する第２ステップとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの様々な運転条件と排ガス中のＮＯｘや燃費などとの関係を表わすエンジンモデルを作成するエンジンモデル作成方法およびエンジンモデル作成システムに関する。

従来より、エンジンにダイナモを連結した実験システム上でエンジンモデルを作成し、そのエンジンモデルに基づいて自動車に搭載されたエンジンの制御パラメータを調整することが行われている（特許文献１参照）。

エンジンモデルを作成して、自動車に搭載されたエンジンの制御パラメータをその作成されたエンジンモデルに基づいて調整することで、エンジンの回転速度やエンジントルクを所要の値に保ちながら排ガス中のＮＯｘの低減や燃費の向上が図られている。

特開２００９−２１０４２６号公報

しかしながら従来のエンジンモデルは、例えば運転開始時などにおいて十分には最適化されたエンジンモデルにはなっていない。すなわち、エンジンモデルから予測されるＮＯｘ値や燃費等のエンジン特性値が、エンジンを実際に自動車に搭載して運転して実測したエンジン特性値に高精度に近似していてそれらの間の誤差が十分に小さいとは言い難い。

本発明は、上記事情に鑑み、従来と比べより広範な運転条件下で誤差を低減させたエンジンモデルを作成するエンジンモデル作成方法およびエンジンモデル作成システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明のエンジンモデル作成方法は、
エンジンを運転して説明変数としてのエンジン制御パラメータの調整および目的変数としてのエンジン特性値の測定を繰り返しながら、調整および測定を繰り返す間のエンジンの代表点の温度を予測又は測定する第１ステップと、
第１ステップで得られた説明変数および目的変数にさらに、エンジンの代表点の温度の予測値又は測定値を表わす温度変数を加えた複数の変数の間の関係を表わすエンジンモデルを作成する第２ステップとを有することを特徴とする。

エンジンの温度は、運転開始時や運転条件が変化したときなどに時間的に変化する。従来は、暖気後のエンジンを対象にし、温度変数を含めることなくエンジンモデルを作成していたため、エンジンがそのエンジンモデル作成の際の温度とは異なる温度下にあるときには、誤差の増大が生じていた。

本発明のエンジンモデル作成方法によれば、温度予測値又は温度測定値を変数の１つに加えたエンジンモデルが作成されるため、従来のエンジンモデルに比べ、より広い運転条件下でより高精度なエンジンモデルとなる。

ここで、上記本発明のエンジンモデル作成方法において、上記第１ステップが、エンジンにダイナモを連結した実験システム上で調整および測定を行なうステップであることが好ましい。

自動車に搭載された状態のエンジンについて上記の調整および測定を行なうのは極めて大変な作業であり、実験システム上で行なうことが好ましい。

また、上記目的を達成する本発明のエンジンモデル作成システムは、
エンジン制御パラメータの調整により、エンジンモデル作成対象のエンジンの運転を制御する、エンジンに連結されるダイナモを含むエンジン運転制御装置と、
エンジン運転時のエンジンの特性を測定するエンジン特性測定装置と、
エンジン運転時のエンジンの代表点の温度を予測又は測定するエンジン温度予測／測定装置と、
エンジン運転制御装置で調整されるエンジン制御パラメータからなる説明変数およびエンジン特性測定装置で測定されるエンジンの特性値からなる目的変数にさらに、エンジン温度予測／測定装置によるエンジンの代表点の温度の予測値又は測定値を表わす温度変数を加えた複数の変数の間の関係を表わすエンジンモデルを作成するエンジンモデル作成装置とを備えたことを特徴とする。

本発明のエンジンモデル作成方法およびエンジンモデル作成システムによれば、従来と比べより広範な運転条件下で誤差を低減させたエンジンモデルを作成することができる。

本発明の一実施形態としてのエンジンモデル作成システムの構成図である。 図１のエンジンモデル作成システムにおけるエンジンの運転条件の１つであるトルクの時間変化を示した図である。 運転を４回繰り返す間のエンジン回転速度（ｒ／ｍｉｎ）と燃料噴射進角（度）を示した図である。 ２回目の運転で得られたデータ（変数）を示した図である。 各回ごとかつ各区間ごとに平均して得た定常データを示した図である。 １秒ごとのＮＯｘ排出量の予測値を示した図である。 図６に示した各値をプロットした図である。 エンジンモデルの相違による精度の相違を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態としてのエンジンモデル作成システムの構成図である。

ここに示すエンジンモデル作成システム１は、エンジンモデル作成対象のエンジン１０に連結されたダイナモ２０を備えている。またこのエンジンモデル作成システム１は、制御・計測用パソコン３０、スロットルアクチュエータ４０、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）５０、排ガス分析計６０、およびダイナモ制御盤７０を備えている。またここには、エンジン１０の排気管１１内を流れる排ガスの排気温度を測定する温度センサ８１やエンジン１０の回転軸１２のトルクを測定するトルクセンサ８２や、その他図示しない、回転軸１２の回転速度を測定する回転速度センサなどの様々なセンサが備えられている。

制御・計測用パソコン３０は、スロットルアクチュエータ４０を介してのエンジン１０のスロットル（不図示）の開度の制御によるトルク制御、ダイナモ制御盤７０を介してのダイナモ２０の制御によるエンジン１０の回転軸１２の回転速度制御、ＥＣＵ５０を介しての噴射進角の制御等を行なう。また、この制御・計測用パソコン３０では、エンジン１０の回転速度、トルク、排気温度等のデータの収集が行なわれる。排ガス分析計６０では、排気管１１内を流れる排ガスの成分分析が行なわれ、制御・計測用パソコン３０には、その分析結果も収集される。さらに、この制御・計測用パソコン３０は、燃料の供給、排ガスの処理等を行なう様々な環境設備９０の制御も行なう。

この図１に示すエンジンモデル作成システム１において、ダイナモ２０、スロットルアクチュエータ４０、ＥＣＵ５０、ダイナモ制御盤７０や、制御・計測用パソコン３０の、それらを制御する機能の組合せが、本発明にいうエンジン運転制御装置の一例に相当する。

また、この図１に示すエンジンモデル作成システム１のうちの、エンジン１０の回転速度やトルクなどを測定する各種センサ（温度センサ８１を除く）と、排ガス分析計６０と、制御・計測用パソコン３０のデータ収集機能の組合せが本発明にいうエンジン特性測定装置の一例に相当する。

さらに、この図１に示すエンジンモデル作成システム１のうちの、温度センサ８１と、制御・計測用パソコン３０の、温度センサ８１により測定された排気温度データの収集機能との組合せが、本発明にいうエンジン温度予測／測定装置の一例に相当する。

尚、エンジン１０の代表点の、運転条件に応じた温度変化は、かなりの高精度をもって予測することも可能であり、温度の実測値に代えて、温度の予測値を採用してもよい。また、ここではエンジン１０の代表点の温度として排気温度を採用しているが、エンジン１０の代表点の温度として排気温度以外の、例えばエンジン１０の内部の温度、表面の温度等を採用してもよい。

また、この図１に示すエンジンモデル作成システム１の制御・計測用パソコン３０は、収集した各種データに基づいてエンジンモデルを作成する機能を有している。制御・計測用パソコン３０の、エンジンモデル作成機能は、本発明にいうエンジンモデル作成装置の一例に相当する。

このエンジンモデル作成システム１では、以下の第１ステップと第２ステップとによりエンジンモデルが作成される。

先ず第１ステップでは、エンジン１０を運転しながら、説明変数としての、回転速度やトルク、噴射進角等のエンジン制御パラメータの調整と、目的変数としての、排ガス中のＮＯｘの量や燃費等のエンジン特性値の測定が行なわれ、さらに、エンジン１０の排気温度の測定が行なわれる。

また、第２ステップでは、第１ステップで得られた説明変数および目的変数にさらに、排気温度の測定値を表わす温度変数を加えた複数の変数の間の関係を表わすエンジンモデルが作成される。

以下では、説明の分かり易さのため、説明変数として回転速度（ｒ／ｍｉｎ）、トルク（Ｎ・ｍ）、および燃料噴射進角（度）の３つを採用し、目的変数として排ガス中のＮＯｘ量（ｇ／ｈ）を採用し、さらに温度変数としての排気温度（℃）を採用したときの、上記の第１ステップおよび第２ステップについて説明する。

図２は、図１のエンジンモデル作成システムにおけるエンジンの運転条件の１つであるトルクの時間変化を示した図である。

ここでは、トルクが、１分ごとに区切った各区間１〜４において順に１００（Ｎ・ｍ）、２００（Ｎ・ｍ）、２００（Ｎ・ｍ）、１００（Ｎ・ｍ）に調整される。ここでは、これら区間１〜４の全区間の運転をもって１回の運転とし、この運転を４回繰り返す。

図３は、運転を４回繰り返す間のエンジン回転速度（ｒ／ｍｉｎ）と燃料噴射進角（度）を示した図である。

トルクを図２に示すように変化させる４回の運転のうち、１回目の運転ではエンジン回転速度を１０００（ｒ／ｍｉｎ）、燃料噴射進角を０（度）としてエンジンを運転し、以下、２回目では、１０００（ｒ／ｍｉｎ）、５（度）、３回目では、２０００（ｒ／ｍｉｎ）、０（度）、４回目では、２０００（ｒ／ｍｉｎ）、５（度）の条件で合計４回の運転を行なう。

図４は、２回目の運転で得られたデータ（変数）を示した図である。ここでは２回目のデータのみ示しているが、図１に示すエンジンモデル作成システム１では、１回目〜４回目のぞれぞれにおいて同様のデータ収集が行なわれる。

この図４に示す２回目の例では、回転速度は１０００（ｒ／ｍｉｎ）に調整され、トルクは区間１〜４のそれぞれにおいて、１００（Ｎ・ｍ）、２００（Ｎ・ｍ）、２００（Ｎ・ｍ）、１００（Ｎ・ｍ）に調整され、燃料噴射進角は５（度）に調整されている。このとき、排気温度［℃］、およびＮＯｘ排出量［ｇ／ｈ］は、図示のように変化している。

ここに示す例では、第１ステップにおいてこのようにしてデータ収集が行なわれる。

次に、第２ステップの一例について説明する。ここでは先ず、図２，図３に示す運転条件で得られた図４に例示するデータを、各回ごと、かつ各区間ごとに平均して定常モデルを作成する。

図５は、各回ごとかつ各区間ごとに平均して得た定常データを示した図である。

ここでは、各図ごとかつ各区間ごとのデータに通しＮｏ．が付されている。１回目の区間１のデータはＮｏ．１、１回目の区間２のデータのＮｏ．２、……、４回目の区間４のデータはＮｏ．１６である。

Ｎｏ．１で表わされる１回目の区間１では、エンジン回転速度は１０００（ｒ／ｍｉｎ）、トルクは１００（Ｎ・ｍ）、燃料噴射進角は０（度）、排気温度は１回目の区間１の平均値で５００（℃）、ＮＯｘ排気量は１回目の区間１の平均値で１０（ｇ／ｈ）である。

以下同様にして、Ｎｏ．２で表わされる、１回目、区間２では、１０００（ｒ／ｍｉｎ）、２００（Ｎ・ｍ）、０（度）、６００（℃）、および１０（ｇ／ｈ）、……、Ｎｏ．１６で表わされる、４回目、区間４では、２０００（ｒ／ｍｉｎ）、１００（Ｎ・ｍ）、５（度）、７００（℃）および３０（ｇ／ｈ）である。

次に、図５に示す定常モデルを基にした回帰計算により、エンジンモデルを作成する。

ここでは、下記の（１）式により回帰式（エンジンモデル）の係数

を得る。

ただし、Ｘは計画行列（定常モデルの入力値から得られる行列）、

は応答ベクトル（定常モデルの出力値から得られる行列）である。

上記の（１）式はエンジンモデルの次数にかかわらず成立する式であるが、ここでは簡単のため１次モデルの場合を仮定すると、ここで説明している例では以下のようになる。

この（２）式の右辺の行列において、１〜４列目はそれぞれエンジン回転速度、トルク、燃料噴射進角、排気温度であり、５列目は全て１である。１行目、２行目、……は図５のＮｏ．１，Ｎｏ．２，……の値である。

また、

この（３）式のベクトル成分はＮＯｘの排気量であり、左から右にかけて順に、図５のＮｏ．１，Ｎｏ．２，……の値である。

上記の（２）式、（３）式を（１）式に当て嵌めて計算すると、

となる。この（４）式は、左から右にかけて順に、回転速度、トルク、燃料噴射進角、排気温度の各係数、および定数項である。

具体的には、

となる。この（５）式が、この簡単化された例におけるエンジンモデルである。

この（５）式に、エンジン回転速度（ｒ／ｍｉｎ）、トルク（Ｎ・ｍ）、燃料噴射進角（度）および排気温度（℃）のデータを代入すると、ＮＯｘ排出量（ｇ／ｈ）が算出される。以上がエンジンモデルを作成する第２ステップの一例である。

次にこのエンジンモデル（（５）式）を用いたＮＯｘ排出量の予測について説明する。

図６は、１秒ごとのＮＯｘ排出量の予測値を示した図、図７は、図６に示した各値をプロットした図である。

ここでは、１秒目では、エンジン回転速度１０００（ｒ／ｍｉｎ）、トルク１００（Ｎ／ｍ）、燃料噴射進角０（度）に調整する。その時に予測又は実測した排気温度は５００（℃）である。この条件下では、ＮＯｘ排出量は１０（ｇ／ｈ）と予測される。これと同様にして、２秒目では、１５００（ｒ／ｍｉｎ）、１００（Ｎ・ｍ）、２．５（度）、５５０（℃）であって、このときのＮＯｘ排出量は１５（ｇ／ｈ）である。３秒目以降も同様である。

このようにして、（５）式から、必要な回転速度およびトルクと、その時点の排気温度とから、燃料噴射進角を何度に調整すればＮＯｘ排出量が低く押えられるかを求めることができる。

尚、ここに示した例は、説明の分かり易さのため極めて単純化している。実際には、（５）式に基づく計算を行なわなくても、多くの場合、噴射進角を小さくすればＮＯｘ排出量を減らすことができることは分かっている。ただし、実際にはＮＯｘ排出量以外にも、ＰＭ（粒子状物質）の排出量も抑える必要があり、燃費も考慮する必要がある。また燃料噴射進角のほか、燃料噴射圧やＥＧＲバルブの開度等もパラメータに加える必要がある。このため上記のようなエンジンモデルを作成する必要がある。

尚、ここに示した例では１次の回帰式を用いエンジンモデルを作成したが、エンジンモデルには、１次項だけでなく、２次以上の項や交互作用項を含め、精度の高いエンジンモデルが作成される。あるいは、ＲＢＦモデルやＬＯＬＩＭＯＴモデルといった、多項式よりもさらに複雑なモデルを使用してエンジンモデルを作成することも可能である。

図８は、エンジンモデルの相違による精度の相違を示した図である。

この図８にいう「簡易当量比」は、エンジンのシリンダ内の空気量に対して理論空燃比の何倍の燃料が存在するかを簡易的に計算した値である。

また、この図８にいう評価値としては、下記（６）式で表わされる決定係数（Ｒ^２値）を採用している。

ただし、（６）式において、

はモデルの実測値、

は対応する予測値、

は、実測値の平均値を表わしている。

この図８の「（１）従来の定常モデル」と「（２）従来の過渡モデル」は、排気温度等、エンジンの代表点の温度の情報を含まないモデルであり、比較例に相当する。これに対し、「（３）排気温度を入力に含めた過渡モデル」は、本発明の一実施形態により作成されたエンジンモデルであって、実施例に相当する。

入力変数としては、「（１）従来の定常モデル」では、燃料噴射進角（度）と、燃料噴射圧（ＭＰａ）と、定常的に予測した簡易当量比とを採用し、「（２）従来の過渡モデル」では燃料噴射進角（度）と、燃料噴射圧（ＭＰａ）と、過渡的に予測した簡易等量比とを採用している。また、「（３）排気温度を入力に含めた過渡モデル」では、入力変数として、「（２）従来の過渡モデル」で採用した入力変数にさらに、過渡的に予測した排気温度を採用している。（１）〜（３）のいずれのモデルにおいても出力変数はＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）である。ここでは、２次の回帰式を使用して（１）〜（３）の各エンジンモデルを作成している。

この図８から分かるように、本発明の一実施形態により作成された（３）の排気温度を入力に含めたエンジンモデルは、「（１）従来の定常モデル」および「（２）従来の過渡モデル」のいずれよりも高い評価値が得られていることが分かる。すなわち、（３）のエンジンモデルは入力変数に排気温度を含めたことにより、実測値に一層近いモデルとなっていることが分かる。

１ エンジンモデル作成システム
１０ エンジン
１１ 排気管
１２ 回転軸
２０ ダイナモ
３０ 制御・計測用パソコン
４０ スロットルアクチュエータ
５０ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
６０ 排ガス分析計
７０ ダイナモ制御盤
８１ 温度センサ
８２ トルクセンサ
９０ 環境設備

Claims (3)

1. エンジンを運転して説明変数としてのエンジン制御パラメータの調整および目的変数としてのエンジン特性値の測定を繰り返しながら、該調整および該測定を繰り返す間の該エンジンの代表点の温度を予測又は測定する第１ステップと、
   前記第１ステップで得られた説明変数および目的変数にさらに、前記エンジンの代表点の温度の予測値又は測定値を表わす温度変数を加えた複数の変数の間の関係を表わすエンジンモデルを作成する第２ステップとを有することを特徴とするエンジンモデル作成方法。
2. 前記第１ステップが、前記エンジンにダイナモを連結した実験システム上で、前記調整および前記測定を行なうステップであることを特徴とする請求項１記載のエンジンモデル作成方法。
3. エンジン制御パラメータの調整により、エンジンモデル作成対象のエンジンの運転を制御する、該エンジンに連結されるダイナモを含むエンジン運転制御装置と、
   前記エンジン運転時の該エンジンの特性を測定するエンジン特性測定装置と、
   前記エンジン運転時の該エンジンの代表点の温度を予測又は測定するエンジン温度予測／測定装置と、
   前記エンジン運転制御装置で調整されるエンジン制御パラメータからなる説明変数および前記エンジン特性測定装置で測定されるエンジンの特性値からなる目的変数にさらに、前記エンジン温度予測／測定装置による前記エンジンの代表点の温度の予測値又は測定値を表わす温度変数を加えた複数の変数の間の関係を表わすエンジンモデルを作成するエンジンモデル作成装置とを備えたことを特徴とするエンジンモデル作成システム。

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