JP4858240B2

JP4858240B2 - モデルベース開発におけるモデル簡易化手法

Info

Publication number: JP4858240B2
Application number: JP2007055887A
Authority: JP
Inventors: 貴章出垣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP2008215254A; US20080221777A1

Description

本発明は、モデルベース開発におけるモデル簡易化方法に関する。

近年、正確な空燃比制御が要求されており、そのためには、気筒内へ供給された吸入空気量を正確に検出又は推定しなければならない。エアフローメータにより検出される吸入空気量は、定常時であれば比較的正確なものとなるが、過渡時ではエアフローメータの応答遅れによって正確なものとはならない。

それにより、過渡時には、エアフローメータの出力を機関回転数に基づき補正することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このようにエアフローメータの出力が補正されても、過渡時の正確な吸入空気量を推定することができるとは限らず、やはり、機関吸気系をモデル化して正確な吸入空気量を推定することが必要となる。

特開２００３−３１４３４７特開２００５−１５７７７７特開２００５−１６５６０６

吸入空気量に限らず、エンジン制御に使用するための各値は、車両ＥＣＵ（電子制御装置）に各系のモデルベースを実装して算出することが好ましい。こうして実装される各系のモデルベースを車両の各系を設計するのに使用されるような詳細モデルベース（例えば、三次元数値計算モデル）とすることは、車両ＥＣＵの計算時間が膨大となるために実際的ではない。

それにより、車両ＥＣＵに実装される各系のモデルベースは、詳細モデルベースとは異なる簡易モデルベースとされるが、簡易モデルベースを実機に適合させるための適合値を、実機による適合試験によって設定しなければならず、膨大な試験工数が必要とされていた。

従って、本発明の目的は、車両の特定系を設計するのに使用される詳細モデルベースとは異なる同じ特定系の簡易モデルベースをエンジン制御のために車両ＥＣＵに実装するモデルベース開発におけるモデル簡易化方法において、簡易モデルベースのための適合値の設定を容易にすることである。

本発明による請求項１に記載のモデルベース開発におけるモデル簡易化手法は、車両の特定系を設計するのに使用される詳細モデルベースより計算負荷の小さな前記特定系の簡易モデルベースをエンジン制御のために車両ＥＣＵに実装するためのモデルベース開発におけるモデル簡易化方法において、前記簡易モデルベースを実機に適合させるための適合値は、前記簡易モデルベースにおいて逆算され、前記適合値を逆算するのに必要な値は、前記詳細モデルベースにより算出され、前記簡易モデルベースは複数の部分モデルから構成され、前記複数の部分モデルは、前記簡易モデルベースのための部分モデルライブラリから前記詳細モデルベースを構成する複数の部分モデルのそれぞれに対応して自動的に選択され、前記簡易モデルベースにおける複数の前記部分モデルの接続順序は、前記詳細モデルベースにおける複数の前記部分モデルの接続順序に合わせて自動的に設定され、前記モデルベースは機関吸気系であり、前記簡易モデルベースの前記適合値は、スロットル弁を通過する吸気の流量係数又はエアクリーナを通過する吸気の流量係数であることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載のモデルベース開発におけるモデル簡易化手法によれば、車両の特定系を設計するのに使用される詳細モデルベースより計算負荷の小さな特定系の簡易モデルベースをエンジン制御のために車両ＥＣＵに実装するためのモデルベース開発におけるモデル簡易化方法において、簡易モデルベースを実機に適合させるための適合値は、簡易モデルベースにおいて逆算され、適合値を逆算するのに必要な値は、詳細モデルベースにより算出されるようになっており、それにより、適合値の設定のために実機を使用する適合試験は必要なく、適合値を容易に設定することができる。

また、簡易モデルベースは複数の部分モデルから構成され、複数の部分モデルは、簡易モデルベースのための部分モデルライブラリから詳細モデルを構成する複数の部分モデルのそれぞれに対応して自動的に選択されるようになっており、それにより、容易に簡易モデルベースを設定することができる。

また、簡易モデルベースにおける複数の部分モデルの接続順序は、詳細モデルベースにおける複数の部分モデルの接続順序に合わせて自動的に設定されるようになっており、それにより、容易に簡易モデルベースを設定することができる。

また、モデルベースは機関吸気系であり、簡易モデルベースの適合値は、スロットル弁を通過する吸気の流量係数又はエアクリーナを通過する吸気の流量係数であり、適合値としての流量係数を容易に設定することができる。

図１は、車両ＥＣＵに実装されてエンジン制御に使用される簡易モデルベース、例えば簡易吸気系モデルベースを設定するための本発明によるモデル簡易化手法を示す概略図である。機関吸気系を設計する際には、例えば、機関吸気系を詳細にモデル化して三次元数値流体計算（３Ｄ−ＣＦＤ）により機関吸気系の各部における圧力、温度、流速、密度、及びエンタルピ等が計算される。このような三次元数値流体計算の汎用プログラムは、ＳＴＡＲ−ＣＤ又はＦＬＵＥＮＴと言う製品名で市販されている。

ところで、このようにして設計された機関吸気系を搭載する車両において、正確な空燃比の制御を実現するためには、機関過渡時においても正確な吸入空気量を推定しなければならない。そのためには、車両ＥＣＵに機関吸気系をモデル化して実装し、機関過渡時において変化するスロットル弁の各開度に対して各時刻毎に吸入空気量を算出することが必要とされる。

前述の詳細モデルベースにおける三次元数値流体計算は、計算負荷が大きいために、車両ＥＣＵでは、機関過渡時において各時刻毎の吸入空気量を算出することはできない。それにより、エンジン制御に使用するための車両ＥＣＵに実装するモデルベースは、設計時に使用する詳細モデルベースではなく、計算負荷の小さな簡易モデルベースとしなければならない。

本実施形態では、図１に示すように、簡易モデルベースのための各部分モデルが格納されている部分モデルライブラリが設けられており、機関吸気系の設計のための詳細モデルベースが設定されて、詳細モデルベースを構成する複数の部分モデル（例えば、エアクリーナ部分モデル、スロットル部分モデル、サージタンク部分モデル、及び、吸気ポート部分モデル）と、各部分モデルの接続順序との情報が部分モデルライブラリへ入力されると、詳細モデルベースの複数の部分モデルのそれぞれに対応する部分モデルが部分モデルライブラリから自動的に選択され、選択された簡易モデルベースを構成する複数の部分モデルが、詳細モデルベースの複数の部分モデルの接続順序で自動的に接続され、こうして、車両ＥＣＵに実装する簡易モデルベース（例えば、エアクリーナ部分モデル、スロットル部分モデル、サージタンク部分モデル、及び、吸気ポート部分モデルがこの順序で接続された簡易モデルベース）を自動的に形成することができる。

もちろん、部分モデルライブラリは、全ての構成の簡易吸気系モデルベースを形成可能なように、エアクリーナ部分モデル、スロットル部分モデル、サージタンク部分モデル、及び、吸気ポート部分モデルだけでなく、ターボチャージャのコンプレッサ部分モデル及びインタークーラ部分モデル等を全ての部分モデルを格納していることが好ましい。

図２は、こうして形成された簡易吸気系モデルベースに対応する吸気系を示す概略図である。同図において、１はエアクリーナであり、２はスロットル弁であり、３はサージタンクであり、４は吸気ポートである。本発明よるモデルベース開発におけるモデル簡易化手法により、前述したように、これら吸気系の各部分に対して、エアクリーナ部分モデルＭ１と、スロットル部分モデルＭ２と、サージタンク部分モデルＭ３と、吸気ポート部分モデルＭ４とから成る簡易吸気系モデルベースが設定される。

エアクリーナ部分モデルＭ１のモデル式は、例えば、次式（１）である。
ｍ＝Ｃ＊（Ｐ_in−Ｐ_out）・・・（１）
ここで、ｍはエアクリーナ部分モデルＭ１を通過する吸気流量であり、エアクリーナ部分モデルＭ１へ流入する吸気流量とエアクリーナ部分モデルＭ１から流出する吸気流量とは等しいとされる。Ｃはエアクリーナの流量係数であり、Ｐ_inはエアクリーナ部分モデルＭ１へ流入する吸気圧力であり、Ｐ_outはエアクリーナ部分モデルＭ１から流出する吸気圧力である。

また、スロットル部分モデルＭ２のモデル式は、例えば、次式（２）である。

ここで、ｍはスロットル弁２を通過する吸気流量であり、スロットル部分モデルＭ２へ流入する吸気流量とスロットル部分モデルＭ２から流出する吸気流量とは等しいとされる。Ｃｔはスロットル弁開度ＴＡにより変化するスロットル弁２の流量係数であり、Ａｔはスロットル弁開度ＴＡにより変化するスロットル弁２の開口面積であり、Ｐ_inはスロットル部分モデルＭ２へ流入する吸気圧力であり、Ｐ_outはスロットル部分モデルＭ２から流出する吸気圧力であり、ｋは比熱比であり、Ｒは気体定数である。Ｔは吸気温度であり、スロットル部分モデルＭ２へ流入する吸気温度とスロットル部分モデルＭ２から流出する吸気温度とは等しいとされる。

また、サージタンク部分モデルＭ３のモデル式は、例えば、次式（３）及び（４）である。

ここで、ｍ_inはサージタンク部分モデルＭ３へ流入する吸気流量であり、ｍ_outはサージタンク部分モデルＭ３から流出する吸気流量である。Ｐはサージタンク３内の吸気圧力であり、サージタンク部分モデルＭ３へ流入する吸気圧力とサージタンク部分モデルＭ３から流出する吸気圧力とは等しいとされる。Ｖはサージタンクの容積（設計値）であり、ｋは比熱比であり、Ｒは気体定数であり、Ｔ_inはサージタンク部分モデルＭ３へ流入する吸気温度であり、Ｔ_outはサージタンク部分モデルＭ３から流出する吸気温度である。

また、吸気ポート部分モデルＭ４のモデル式は、例えば、前式（３）及び（４）と同じとすることができる。この場合において、ｍ_inは吸気ポート部分モデルＭ４へ流入する吸気流量であり、ｍ_outは吸気ポート部分モデルＭ４から流出する吸気流量であり、Ｐは吸気ポート４内の圧力であり、吸気ポート部分モデルＭ４へ流入する吸気圧力と吸気ポート部分モデルＭ４から流出する吸気圧力とは等しいとされる。Ｖは吸気ポート４の容積（設定値）であり、ｋは比熱比であり、Ｒは気体定数であり、Ｔ_inは吸気ポート部分モデルＭ４へ流入する吸気温度であり、Ｔ_outは吸気ポート部分モデルＭ４から流出する吸気温度である。

このような機関吸気系の簡易モデルベースでは、各時刻において、吸気ポート部分モデルＭ４下流側の気筒内の圧力Ｐ１及び温度Ｔ１と、エアクリーナ部分モデルＭ１上流側の大気圧Ｐ２及び大気温度Ｔ２と、スロットル弁開度ＴＡとに基づき、各部分モデルに流入する吸気流量ｍ_in、吸気圧力Ｐ_in、及び吸気温度Ｔ_inが各部分モデルの直上流側に位置する部分モデルから流出する吸気流量ｍ_out、吸気圧力Ｐ_out、及び吸気温度Ｔ_outに等しいとして、これら各値が算出される。こうして、全部分モデルベースでは、最下流に位置する吸気ポート部分モデルＭ４から流出する空気流量ｍ_outが各時刻において気筒内へ流入する吸気流量となる。もちろん、各部分モデルにおいて、使用されたモデル式によっては、吸気流量、吸気圧力、及び吸気温度の全てが変化するとは限らない。例えば、吸気温度が変化しないとされているものでは、Ｔ_in及びＴ_outは、上流側の部分モデルから流出する吸気温度Ｔ_outと同じ値として計算される。

このような簡易吸気系モデルベースにおいて、例えば、スロットル部分モデルＭ２におけるスロットル弁２の流量係数Ｃｔ（ＴＡ）は、スロットル弁２の開度ＴＡによって変化する値であり、車両の吸気系に対して適合させなければならない。そのために実機を使用して適合試験を行うと、莫大な試験工数が必要となる。本実施形態では、このような適合試験を省略するために、上式（２）を使用して、スロットル弁２の開度毎に流量係数Ｃｔ（ＴＡ）を逆算する。この逆算に必要な各値は、吸気系を設計した時の詳細モデルベースを使用して算出する。

図３は、詳細吸気系モデルベースのスロットル部分モデルを示しており、このように、詳細モデルベースでは、各部分モデルが細かい要素に分割され、要素毎に、圧力、温度、流速、密度、及びエンタルピ等が算出される。それにより、設計時において各スロットル弁開度に対して、これらの値が算出されていれば、これらの値が上式（２）においてスロットル弁の開度毎の流量係数Ｃｔ（ＴＡ）を逆算するのに利用することができる。

すなわち、上式（２）において、各スロットル弁開度の流量係数Ｃｔ（ＴＡ）は、各スロットル弁開度におけるスロットル弁２を通過する吸気流量ｍと、スロットル弁２の開口面積Ａｔ（ＴＡ）と、スロットル部分モデルＭ２へ流入する吸気圧力Ｐ_inと、スロットル部分モデルＭ２から流出する吸気圧力Ｐ_outと、吸気温度Ｔとに基づき逆算することができる。

ここで、吸気温度Ｔは標準大気温度とすることができ、また、スロットル弁２の開口面積Ａｔは、各スロットル弁開度に対して設計値として算出することができる。その他の吸気流量ｍ、吸気圧力Ｐ_in、及び、吸気圧力Ｐ_outは、詳細モデルベースにより標準大気温度及び標準大気圧の時に各スロットル弁開度に対して算出された値が利用される。図４はスロットル部分モデルの長手概略断面図であり、図５は図４のＡ−Ａ断面図である。

ここで、例えば、図４及び図５に示すように、スロットル弁２回りの要素ｅｎ（ｎ＝１〜１６）において、それぞれ、詳細モデルベースにより算出された流速ｖｎと密度ρｎとの積に各要素の断面積ａｎ（図２における各要素の面積）を乗算することにより、各要素の吸気流量ｖｎ・ρｎ・ａｎが算出され、これらの吸気流量を合算（ｖ１・ρ１・ａ１＋ｖ２・ρ２・ａ２＋・・・＋ｖ１６・ρ１６・ａ１６）することによりスロットル弁２を通過する吸気流量ｍが得られる。もちろん、スロットル弁開度が変化すれば、詳細モデルベースにより算出される各要素の流速ｖｎ及び密度ρｎが変化するだけでなく、各要素の断面積ａｎも変化する。

また、吸気圧力Ｐ_inは、詳細スロットル部分モデルの最上流端（図３のＵ）の各要素において算出された圧力の平均値とすることができ、吸気圧力Ｐ_outは、詳細スロットル部分モデルの最下流端（図３のＤ）の各要素において算出された圧力の平均値とすることができる。

エアクリーナ部分モデルＭ１においても流量係数Ｃが存在し、この流量係数Ｃも適合値であるために、エアクリーナ１のモデル式（１）において逆算されて適合試験が省略される。この逆算のためには、エアクリーナ１を通過する吸気流量ｍと、エアクリーナ１へ流入する吸気圧力Ｐ_inと、エアクリーナ１から流出する吸気圧力Ｐ_outとが必要となる。エアクリーナ１の流量係数Ｃは、スロットル弁の開度とは関係なく一定値であり、標準大気温度及び標準大気圧の時の吸気流量が比較的多くなる特定スロットル弁開度（例えば、半開又は全開）において詳細モデルベースにより算出された各値に基づき逆算される。

エアクリーナ１へ流入する吸気圧力Ｐ_inは標準大気圧とすることができる。エアクリーナ部分モデルＭ１はスロットル部分モデルＭ２に接続されるために、エアクリーナ１から流出する吸気圧力Ｐ_outは、特定スロットル弁開度に対して算出された前述のスロットル部分モデルの最上流端（図３のＵ）の各要素の圧力の平均値とすることができる。また、エアクリーナ１を通過する吸気流量ｍは、前述のスロットル弁通過吸気流量の算出と同様な考え方に基づき、特定スロットル弁開度に対して算出された前述のスロットルモデルの最上流端（図３のＵ）の各要素の流速ｖｎと密度ρｎとの積に各要素の断面積ａｎを乗算することにより、各要素の吸気流量ｖｎ・ρｎ・ａｎを算出し、これらを合算すれば良い。

本発明によるモデル簡易化手法を示す概略図である。簡易吸気系モデルベースに対応する吸気系を示す概略図である。詳細吸気系モデルベースのスロットル部分モデルを示す概略図である。詳細吸気系モデルベースのスロットル部分モデルの長手概略断面図である。図４のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１エアクリーナ
２スロットル弁
３サージタンク
４吸気ポート

Claims

車両の特定系を設計するのに使用される詳細モデルベースより計算負荷の小さな前記特定系の簡易モデルベースをエンジン制御のために車両ＥＣＵに実装するためのモデルベース開発におけるモデル簡易化方法において、前記簡易モデルベースを実機に適合させるための適合値は、前記簡易モデルベースにおいて逆算され、前記適合値を逆算するのに必要な値は、前記詳細モデルベースにより算出され、前記簡易モデルベースは複数の部分モデルから構成され、前記複数の部分モデルは、前記簡易モデルベースのための部分モデルライブラリから前記詳細モデルベースを構成する複数の部分モデルのそれぞれに対応して自動的に選択され、前記簡易モデルベースにおける複数の前記部分モデルの接続順序は、前記詳細モデルベースにおける複数の前記部分モデルの接続順序に合わせて自動的に設定され、前記モデルベースは機関吸気系であり、前記簡易モデルベースの前記適合値は、スロットル弁を通過する吸気の流量係数又はエアクリーナを通過する吸気の流量係数であることを特徴とするモデルベース開発におけるモデル簡易化手法。