JP5233660B2 - 内燃機関の制御パラメータの適合方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御パラメータの適合方法に関する。

内燃機関の制御装置を開発する際には、排出ガス特性、燃料消費特性、トルク変動等の種々の特性に対する要求を満足するため、点火時期、バルブタイミング、排気還流率、燃料噴射時期等の種々の制御パラメータを適合することが行われる。この際には、内燃機関の試験運転を行って計測データを取り、その計測データに基づいて、エンジン特性をモデル化し、そのモデルを用いて制御パラメータが適合される。

計測点の数を多くすれば、モデル精度を向上することができるが、計測に要する時間が膨大となる。このため、実際上は、計測点の数は限られる。そこで、実験計画法を用いて、計測点を適切に配置することが従来より行われている。

特開２００６−２４４０４２号公報には、実験計画法のスペースフィリングを使用して、隣接する二つの計測点間の最小距離を最大化するように所定数の計測点を均等に配置する技術が開示されている。更に、同公報の発明では、境界上に計測点が十分に配置されるように、計測点を再配置することとしている。

特開２００６−２４４０４２号公報 特開２００６−１６２３２０号公報

しかしながら、実際の計測においては、スロットル弁を全開にしても充填効率が目標値に達しない場合があり、また、計測ばらつきが生ずる場合もある。このため、実験計画法等によって定めた試験条件と、実際に計測を行ったときの試験条件とは、大なり小なり異なるのが普通である。その結果、計測点の分布が不均質となり、モデル精度が悪化する場合がある。また、モデル精度の悪化を回避するために、実験計画をやり直したり、追加の計測を行ったりすると、多大な時間を要し、開発効率が低下する。更に、追加計測は、計測時期の違いに起因する誤差を生ずるため、適合精度の悪化にも繋がる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、実験計画法により決定した試験条件と実際の試験条件との間にずれが生じた場合であっても高い精度でモデル化を行うことができる内燃機関の制御パラメータの適合方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の特性を計測データに基づいてモデル化し、そのモデルを用いて前記内燃機関の制御パラメータを適合する方法であって、
実験計画法を用いて所定数の計測点の試験条件を決定するステップと、
前記決定された試験条件に基づいて計測を実行するステップと、
前記計測が実行されたときの実際の試験条件を抽出するステップと、
前記抽出された実際の試験条件に基づいて、各計測点とその計測点に最も近い計測点との距離の均質度を算出するステップと、
前記算出された均質度が所定値より小さい場合に、前記実際の試験条件を変数変換するステップと、
前記変数変換された後の試験条件に基づいて、前記均質度を再計算するステップと、
前記再計算された均質度が最大となるように、変数変換する関数を最適化するステップと、
前記再計算された均質度が最大となったときの関数により変数変換された後の試験条件に基づいてモデル化を行うステップと、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、実験計画法を用いて決定された試験条件に基づいて計測を実行し、その計測時の実際の試験条件に基づいて、各計測点とその計測点に最も近い計測点との距離の均質度を算出する。その算出された均質度が所定値より小さい場合には、実際の試験条件を変数変換し、変数変換された後の試験条件に基づいて、均質度を再計算する。そして、再計算された均質度が最大となるように、変数変換する関数を最適化し、変数変換された後の試験条件に基づいてモデル化を行うことができる。すなわち、実際に計測を行ったときの試験条件が、実験計画法によって定めた試験条件に対して偏りが生じた場合であっても、計測点間の距離が均質となるように試験条件を変数変換した上で、モデル化を行うことができる。このため、高精度なモデル化を行うことができるとともに、実験計画のやり直しや追加計測などを省略することができ、開発効率を向上することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１で用いられる、内燃機関の制御パラメータの適合装置の一例を示す図である。図１に示すように、内燃機関（以下、「エンジン」と称する）１０は、シリンダ１１と、ピストン１２と、シリンダ１１およびピストン１２によって区画形成される燃焼室１３の上方に配置され、燃料を直接噴射するインジェクタ１４と、燃焼室１３内の混合気に点火するための点火プラグ１５とを備えている。

燃焼室１３には吸気通路１６から空気が吸入され、これに燃料が噴射され混合気になる。点火により混合気が燃焼した燃焼ガスは、排気として燃焼室１３から排気通路１７へ排出される。吸気通路１６からの空気の吸入および排気通路１７への排気の排出の各タイミングは、それぞれ吸気弁１８および排気弁１９の開弁タイミングによって設定される。吸気弁１８のバルブタイミングは、可変バルブタイミング機構２０によって連続可変的に設定される。

エンジン１０の燃焼室１３に取り込まれる空気量は、吸気通路１６の途中に設けられた電子制御式のスロットル弁２１によって調節される。また、エンジン１０においては、排気通路１７へ排出された排気ガスの一部をＥＧＲ通路２２を介して吸気通路１６に戻す、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を実行可能になっている。そして、この戻される排気量、すなわちＥＧＲ量は、ＥＧＲ弁２３の開弁量によって調節される。

こうしたエンジン１０の制御は、ＥＣＵ３０によって行われる。また、このＥＣＵ３０には、水温センサ２６やエンジン１０のクランク軸２４近傍に設けられたクランク角センサ２５等、エンジンの運転状態を計測する各種センサからの情報が計測情報として入力される。

この適合装置は、更に、エンジン１０のクランク軸２４と連結されるダイナモメータ３１と、ダイナモメータ３１を操作するダイナモ操作盤３２と、ダイナモメータ３１を所定の条件に制御すべくダイナモ操作盤３２に指令を送る自動計測装置３３とを備える。

ここで、ダイナモメータ３１は、エンジン１０のクランク軸２４の発生するトルクを吸収する。これにより、エンジン１０を擬似的に車両に搭載した負荷状態にして各種試験を行うことができる。そして、ダイナモメータ３１の吸収するトルクは、自動計測装置３３からの指令にしたがって、ダイナモ操作盤３２が操作されることで制御される。

また、この適合装置は、ＥＣＵ３０と自動計測装置３３との間でデータのやりとりを仲介するパネルチェッカー３４を備える。そして、自動計測装置３３では、パネルチェッカー３４を介して、ＥＣＵ３０内に保持されるエンジン１０の計測情報を取得する。

エンジン１０が実際に車両に搭載されるときには、各種センサ等からＥＣＵ３０に入力される計測情報に基づきその運転状態が制御される。これに対し、ダイナモメータ３１を用いて擬似的に車両に搭載された状態を作り出す場合には、運転者の意志を反映したアクセルペダルの踏み込み量等のデータがＥＣＵ３０に供給されない。

そこで、自動計測装置３３は、エンジン１０の計測情報を参照してエンジン１０の状態をモニタしつつ、パネルチェッカー３４を介してアクセルペダルの踏み込み量に相当するデータ等をＥＣＵ３０に供給する。このようにして、自動計測装置３３は、エンジン１０を所望の運転状態に制御する。

一方、ＥＣＵ３０内には、エンジン１０の制御情報として、エンジン１０に類似する機種のエンジンの制御マップ等、エンジン１０を大まかに制御することのできる制御マップが記憶されている。

自動計測装置３３によるエンジン１０やダイナモメータ３１を制御する指令は、大きくは自動計測装置３３内の条件ファイルに基づいて設定される。この条件ファイルには、基本的には、計測を所望するエンジン１０の各運転状態（回転数および負荷）毎に、その制御パラメータ（点火時期ＳＴ、燃料噴射量、バルブタイミングＶＶＴ、ＥＧＲ率、燃料噴射タイミング、燃料圧力等）が書込まれている。そして、この各運転状態毎にエンジン１０が固定制御されてそのときのエンジン１０の出力が計測器３５によって計測される。なお、この条件ファイル内に設定される各条件は、条件設定ツール５３によって設定される。

条件ファイルに設定された各運転状態にエンジン１０の運転状態を制御するために、自動計測装置３３は、パネルチェッカー３４を介してＥＣＵ３０にアクセルペダルの踏み込み量に相当するデータ等を供給する。

そして、エンジン１０がこの条件ファイルを通じて設定された運転状態に制御されると、自動計測装置３３では、パネルチェッカー３４を介してＥＣＵ３０内のメモリあるいはレジスタ等にマニュアルフラグをセットする。このマニュアルフラグは、上記制御マップによるエンジン１０の制御を禁止するフラグである。

エンジン１０が上記条件ファイルを通じて設定された運転状態となると、自動計測装置３３では、このフラグをセットするとともに、エンジン１０の制御パラメータを同条件ファイル内に設定された値に固定制御する。

こうして上記条件ファイルに設定されたエンジン運転条件にもとづいて制御パラメータが所定の制御値に固定制御された状態で、燃料消費率ＢＳＦＣや排気中のＮＯｘ濃度、出力トルクの変動量ＴＦ等、エンジン１０の各特性値が計測器３５により計測される。

計測器３５は、エンジン１０に供給される燃料量を計測する燃費計と、エンジン１０の排気通路１７から排出されるガス成分中のＮＯｘ濃度等を分析する分析計と、エンジン１０およびダイナモメータ３１間に設置されたトルクメータと、トルクメータの値を計算処理するトルク変動計とを含む。

そして、燃料消費率ＢＳＦＣに関しては、燃費計による計測値が、自動計測装置３３内で計算処理される。また、ＮＯｘ濃度は、分析計で算出された濃度が計測値として用いられ、自動計測装置３３によって計算処理される。更に、トルク変動ＴＦは、トルク変動計の値として計測され、自動計測装置３３で計算処理される。これら自動計測装置３３内で計算処理されたデータが計測データとなる。

この適合装置は、更に、計測データを上記各条件ファイル毎に保持するサーバ４０と、サーバ４０に保持された計測データを各条件ファイルの情報とともに解析する解析ツール５０と、解析ツール５０による解析結果を表示する表示器５１と、解析結果の一部を記憶保持するデータベース５２と、これら解析ツール５０や条件設定ツール５３等を操作するための操作部６０とを備える。

図２は、本発明の概要を説明するための図である。本発明では、まず、実験計画法を用いて、各計測点の試験条件を決定する。図２に示す例では、計測点の試験条件がエンジン回転数ＮＥと充填効率ＫＬとで表されるものとしている。図２中の一番上の図が、実験計画法によって決定された計測点を示している。実験計画法によれば、計測点間の距離が均質となるように、試験条件が決定される。

続いて、上記の試験条件で計測を実行し、計測データを取得する。実際の計測においては、スロットル弁２１を全開にしても充填効率ＫＬが目標値に達しない場合があり、また、計測ばらつきが生ずる場合もある。このため、実験計画法によって定めた計測点と、実際に計測を行ったときの計測点とが、完全に一致することは期待できない。このため、図２中の上から２番目の図に示すように、モデリングを行おうとしている空間において、計測点間の距離が均質にならない場合が生ずる。このように、計測点に偏りがある場合には、高精度なモデル化を行うことが困難となる。

そこで、本発明では、実際の計測点に偏りが生じた場合には、図２中の一番下の図に示すように、各計測点の座標を変数変換することにより、計測点間の距離を均質化させた上で、モデル化を行うこととした。これにより、実験計画のやり直しや追加計測などを行うことなく、高精度なモデル化を行うことができ、開発効率を向上することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図３は、本実施形態において実行されるルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンによれば、まず、実験計画法を用いて、各計測点の試験条件が決定される（ステップ１００）。以下の説明では、計測点の数をｎとし、簡単のため、試験条件の変数の数が二つであるものとする。よって、このステップ１００で決定された試験条件は、（ｘ₁₁，ｘ₂₁），（ｘ₁₂，ｘ₂₂），（ｘ₁₃，ｘ₂₃），・・・，（ｘ_1n，ｘ_2n）と表すことができる。

次いで、上記ステップ１００で決定された試験条件に基づいて、計測が実行され、計測データが取得される（ステップ１０２）。そして、このステップ１０２で得られた計測データのうち、試験条件のみが抽出される（ステップ１０４）。前述したように、実際に計測を行ったときの試験条件は、実験計画法によって決められた試験条件と完全に一致するものではない。以下では、このステップ１０４で抽出された実際の試験条件を、（ｘ_11,m，ｘ_21,m），（ｘ_12,m，ｘ_22,m），（ｘ_13,m，ｘ_23,m），・・・，（ｘ_1n,m，ｘ_2n,m）と表す。

続いて、上記ステップ１０４で抽出された実際の試験条件に基づいて、モデリングを行おうとしている空間における実際の計測点間の距離の均質度Ｄ_hmgnsが算出される（ステップ１０６）。本実施形態では、下記式（１）〜（３）に基づいて、均質度Ｄ_hmgnsを算出する。

ただし、上記式において、ｒ_iは、実際の各計測点の番号をｉ（ｉ＝１〜ｎ）としたとき、計測点ｉ（すなわち、（ｘ_i3,m，ｘ_i3,m））と、この計測点ｉに最も近い他の計測点との距離（以下「計測点間距離」と称する）を表す。実際の計測点が偏りなく均質に配置されているほど、つまり計測点間距離ｒ_iの均質性が高いほど、均質度Ｄ_hmgnsは大きい値になる。

上記ステップ１０６で均質度Ｄ_hmgnsが算出されたら、次に、その均質度Ｄ_hmgnsと所定値αとが比較される（ステップ１０８）。所定値αは、十分な精度でモデル化を行うことができるか否かを判定するための値として、予め設定されている値である。上記ステップ１０８で、均質度Ｄ_hmgnsがαより大きかった場合には、計測点間距離ｒ_iの均質性が十分高いので、上記ステップ１０４で抽出された試験条件をそのまま用いれば、十分に高い精度でモデル化を行うことができると判断できる。そこで、この場合には、上記ステップ１０４で抽出された試験条件を用いて、モデル化が行われる（ステップ１１０）。

これに対し、上記ステップ１０８で、均質度Ｄ_hmgnsがα以下であった場合には、計測点間距離ｒ_iの均質性が低いため、上記ステップ１０４で抽出された試験条件をそのまま用いると、十分な精度でモデル化を行うことができないと判断できる。この場合には、次に、試験条件の変数変換を行う関数が設定される（ステップ１１２）。本実施形態では、下記式（４）の関数が設定される。

上記式（４）において、Ｚ_atは、変数変換後の変数であり、Ｚ_btは、変数変換前の変数である。本実施形態では、簡単のため、二つの試験条件変数のうち、２番目のｘ_21,m，ｘ_22,m，ｘ_23,m，・・・，ｘ_2n,mのみを変数変換の対象とする。すなわち、Ｚ_bt＝ｘ_21,m，ｘ_22,m，ｘ_23,m，・・・，ｘ_2n,mを上記式（４）に代入することにより、Ｚ_at＝ｘ_21,m，ｘ_22,m，ｘ_23,m，・・・，ｘ_2n,mを算出する。そして、この変数変換後のＺ_at＝ｘ_21,m，ｘ_22,m，ｘ_23,m，・・・，ｘ_2n,mを用いて、再度、均質度Ｄ_hmgnsが計算される（ステップ１１４）。

そして、本実施形態では、上記式（４）中の係数ａおよびｂを変更しながら、変数変換後の試験条件に従って均質度Ｄ_hmgnsを繰り返し計算し、均質度Ｄ_hmgnsが最大化されるような係数ａおよびｂを求めることとしている。具体的には、上記ステップ１１４の処理に続いて、均質度Ｄ_hmgnsが最大になったか否かが判定される（ステップ１１６）。その結果、均質度Ｄ_hmgnsが最大化されていないと判定された場合には、係数ａおよびｂが修正され（ステップ１１８）、上記ステップ１１４の処理が再度実行される。そして、上記ステップ１１６で、均質度Ｄ_hmgnsが最大になったと判定された場合には、変数変換後の試験条件を用いて、モデル化が行われる（ステップ１２０）。

以上説明した適合方法によれば、実際に計測を行ったときの試験条件が、実験計画法によって定めた試験条件に対して偏りが生じた場合であっても、計測点間の距離が均質となるように試験条件を変数変換することができる。このため、そのような場合であっても、高精度なモデル化を行うことができる。これにより、実験計画のやり直しや追加計測などを省略することができ、開発効率を向上することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の概要を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ 燃焼室
１４ インジェクタ
１５ 点火プラグ
１６ 吸気通路
１７ 排気通路
１８ 吸気弁
１９ 排気弁
２０ 可変バルブタイミング機構
２１ スロットル弁
２２ ＥＧＲ通路
２３ ＥＧＲ弁
２４ クランク軸
２５ クランク角センサ
２６ 水温センサ

Claims (1)

1. 内燃機関の特性を計測データに基づいてモデル化し、そのモデルを用いて前記内燃機関の制御パラメータを適合する方法であって、
   実験計画法を用いて所定数の計測点の試験条件を決定するステップと、
   前記決定された試験条件に基づいて計測を実行するステップと、
   前記計測が実行されたときの実際の試験条件を抽出するステップと、
   前記抽出された実際の試験条件に基づいて、各計測点とその計測点に最も近い計測点との距離の均質度を算出するステップと、
   前記算出された均質度が所定値より小さい場合に、前記実際の試験条件を変数変換するステップと、
   前記変数変換された後の試験条件に基づいて、前記均質度を再計算するステップと、
   前記再計算された均質度が最大となるように、変数変換する関数を最適化するステップと、
   前記再計算された均質度が最大となったときの関数により変数変換された後の試験条件に基づいてモデル化を行うステップと、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御パラメータの適合方法。

Images