JP6772783B2 - 内燃機関用部品の温度推定システム及び内燃機関用部品の温度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用部品の温度推定システム及び内燃機関用部品の温度推定方法に関する。

車両に備わるディーゼルエンジン等の内燃機関では、気筒（シリンダ）の内部にピストンを収納している。そして、気筒とピストンとシリンダヘッドの間に形成される空間である燃焼室内において、燃料を燃焼させることで、内燃機関に車両走行用の動力を発生させている。

このピストンは、シリンダ内の圧力変動に伴う力学的な負荷、及び、上記の燃焼反応に伴う熱的な負荷を繰り返し受けることになるため、耐久性が徐々に低下していく。したがって、ピストンの耐久性が低下して破損に至る前に、ピストンの交換やメンテナンスを行う必要があり、そのためには、ピストンが後どれ位の負荷に耐え得るか、その寿命予測を行う必要がある。

このピストン温度に関して、内燃機関の運転状態に基づいてピストン温度を求めることが行われており、例えば、内燃機関の運転状態としてエンジン回転数及び燃料噴射量とピストン温度の関係を示すピストン温度マップを用いて現在のエンジン回転数と燃料噴射量に対応するピストン温度マップ値を得ると共に、エンジン冷却水の温度、エンジンオイルの油温と油圧のそれぞれに対する補正係数を予め設定した表から求めて、これらの補正係数のいずれか又は組み合わせでピストン温度マップ値を補正してピストン温度算出値を得ている内燃機関の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１６７８８７号公報

ところで、上記の内燃機関の制御装置では、ピストン温度マップや各種の補正係数の表の設定方法に関しては特に記載されていない。また、補正方法についてもエンジン冷却水の温度、エンジンオイルの油温と油圧のそれぞれに対する補正係数のいずれかまたは組み合わせを用いており、エンジン冷却水の温度、エンジンオイルの油温と油圧等のピストン温度への影響を十分に考慮しきれていない。

本発明の目的は、内燃機関の気筒内で燃料を燃焼することで発生する燃焼熱により加熱されるピストン等の内燃機関用部品の温度を、エンジン冷却水の温度などの影響を考慮しつつ精度よく推定することができる内燃機関用部品の温度推定システム及び内燃機関用部品の温度推定方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関用部品の温度推定システムは、内燃機関で発生する燃料の燃焼熱により加熱される内燃機関用部品の温度推定システムにおいて、 前記内燃機関の燃料噴射量とエンジン回転数を第１データとし、この第１データとは異なる前記内燃機関用部品の温度に影響を及ぼす単数又は複数のパラメータを第２データとして、前記第１データと前記内燃機関用部品の温度の実験値との関係を示す、第２データの基準値に基づいて予め実験的に設定されたマップデータ又は関数と、前記第２データの前記基準値若しくは前記第２データの実際値と前記第１データの実際値を入力として前記内燃機関用部品の温度を算出する統計モデルの計算モデルとを、該温度推定システムを制御する制御装置に備えると共に、前記制御装置が、前記内燃機関の運転中に得られる前記第１データの実際値と前記第２データの実際値を入力して、前記第１データの実際値から前記マップデータ又は関数に基づいて基本温度を算出すると共に、前記第１データの実際値と前記第２データの前記基準値を入力して前記計算モデルにより第１温度を、前記第１データの実際値と前記第２データの実際値とを入力して前記計算モデルにより第２温度をそれぞれ算出して、前記第２温度と前記第１温度の差である補正温度差を算出し、さらに、この前記補正温度差を前記基本温度に加えた値を前記内燃機関用部品の推定温度とする制御を行うように構成される。

なお、ここでいう「実際値」とは制御中に得られる計測値や算出値や制御用数値の数値（物理量）ことを言い、一方、「基準値（ノミナル値）」は予め実験的に設定されたマップデータ又は関数を設定されるときに用いられた数値（物理量）のことを言う。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関用部品の温度推定方法は、内燃機関で発生する燃料の燃焼熱により加熱される内燃機関用部品の温度推定方法において、前記内燃機関の燃料噴射量とエンジン回転数を第１データとし、この第１データとは異なる前記内燃機関用部品の温度に影響を及ぼす単数又は複数のパラメータを第２データとして、前記内燃機関の運転中に得られる前記第１データの実際値と前記第２データの実際値を入力して、前記第１データの実際値から前記第２データの基準値を基にして予め実験的に設定されたマップデータ又は関数に基づいて基本温度を算出すると共に、予め設定された統計モデルの計算モデルに前記第１データの実際値と前記第２データの前記基準値を入力して第１温度を、前記計算モデルに前記第１データの実際値と前記第２データの実際値とを入力して第２温度をそれぞれ算出して、前記第２温度と前記第１温度の差である補正温度差を算出し、さらに、この前記補正温度差を前記基本温度に加えた値を前記内燃機関用部品の推定温度とする方法である。

本発明によれば、内燃機関の気筒内で燃料の燃焼による燃焼熱により加熱されるピストン等の内燃機関用部品の温度を、エンジン冷却水の温度などの影響を考慮しつつ精度よく推定することができる。

本発明の内燃機関用部品の温度推定システムを示す図である。 基本温度設定マップの一例を示す図である。 本発明の内燃機関用部品の温度推定方法の制御フローを示す図である。

以下、本発明に係る実施形態の内燃機関用部品の温度推定システム及び内燃機関用部品の温度推定方法について、図面を参照しながら説明する。ここで、内燃機関用部品１０とは、エンジン（内燃機関）の気筒（シリンダ）内で発生する燃料の燃焼熱により加熱される部品であり、例えば、ピストン、シリンダ等のシリンダブロック内の部品や、吸気弁または排気弁等のシリンダヘッド内の部品のことである。本実施形態では、内燃機関用部品としてピストン１０を例にして説明する。
なお、ここでいう「実際値」とは制御中に得られる計測値や算出値や制御用数値の数値（物理量）ことを言い、一方、「基準値（ノミナル値）」は予め実験的に設定されたマップデータ又は関数を設定されるときに用いられた数値（物理量）のことを言う。

本発明の内燃機関用部品の温度推定システム１は、このシステム１を制御する制御装置２０（図示しない）を備える。この制御装置２０には、図１に示すように、基本温度算出手段Ｍ１１と、補正温度差算出手段Ｍ１２とを有する推定温度算出手段Ｍ１０を備えて構成される。

ここで、内燃機関のエンジン回転数Ｎと燃料噴射量Ｑを第１データＤ１とする。また、この第１データＤ１とは異なるピストン１０の温度に影響を及ぼす単数又は複数のパラメータを第２データＤ２とする。この第２データＤ２としては、気筒内における燃料噴射の制御値である燃料噴射開始時期（ＳＯＩ）、コモンレール圧、油圧センサで計測されるエンジン潤滑油の油圧、油温センサで計測されるエンジン潤滑油の油温、燃料噴射量Ｑ、吸気センサ（ＭＡＦ）で計測される吸気量のうちの少なくとも１つ以上を使用するが、これらの全部を使用してもよく、他の物理量を加えて、適当な物理量を選択してもよい。

この基本温度算出手段Ｍ１１は、第１データＤ１とピストン１０の温度の実験値との関係を示す、第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎに基づいて予め実験的に設定されたマップデータ又は関数として、基本温度設定マップ（ピストン温度実験値ベースマップ）ＭＰを有している。この基本温度設定マップＭＰを参照して、内燃機関の運転中に得られる第１データ（燃料噴射量Ｑ,エンジン回転数Ｎ）Ｄ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎから、ピストン１０の温度である基本温度Ｔａを算出する。つまり、基本温度算出手段Ｍ１１は、第１データＤ１に関しては実験時の実際値Ｄ１ｍに基づいて、第２データＤ２に関しては予め設定された基準値Ｄ２ｎに基づいて基本温度Ｔａを求めるものである。

この基本温度設定マップＭＰは、気筒内への燃料噴射量Ｑとエンジン回転数Ｎをベースにピストン１０の温度を基本温度Ｔａとして設定したマップであり、実験結果などにより予め設定されるマップである。この基本温度設定マップＭＰは、例えば、図２に示すように、燃料噴射量Ｑを縦軸に、エンジン回転数Ｎを横軸にして、ピストン１０の基本温度Ｔａを等高線の形式で表すマップである。

また、補正温度差算出手段Ｍ１２は、基本温度算出手段Ｍ１１で第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎに基づく基本温度設定マップＭＰから求めた基本温度Ｔａに対して、第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍがこの第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎから変化することで生じる温度変化ΔＴを求める。

この補正温度差算出手段Ｍ１２は、同じ計算用モデルを用いて第１温度Ｔｂと第２温度Ｔｃをそれぞれ算出する第１温度算出手段Ｍ１２ａと第２温度算出手段Ｍ１２ｂとを有している。

この第１温度算出手段Ｍ１２ａでは、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎとから計算用モデルを用いて第１温度Ｔｂを算出する。一方、第２温度算出手段Ｍ１２ｂでは、第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎからの第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍの変動分の温度への影響を求めるため、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍとから第１温度算出手段Ｍ１２ａと同じ計算用モデルを用いて第２温度Ｔｃを算出する。

この計算モデルは、第１データＤ１の数値と第２データＤ２の数値を入力して、内燃機関用部品１０の温度Ｔｘを出力パラメータとする、実験データに基づく統計モデルであり、例えば、第１データＤ１と第２データＤ２の各パラメータの３次多項式で温度Ｔｘを表す式である。この３次多項式の各係数は、各パラメータの数値である第１データＤ１の実験値Ｄ１ｅと第２データＤ２の実験値Ｄ２ｅと温度Ｔｘの実験値Ｔｘｅの組み合わせの数多くの実験データを用いて同定することで得られる。つまり、この計算モデルは、実験データを基に統計モデルを用いるモデルベース適合手法（ＭＢＣ：Ｍｏｄｅｌ−Ｂａｓｅｄ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ等）を用いて求められる。なお、この計算モデルは、第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍの差の影響によるピストン温度の変化分を得るためのものである。

そして、第１温度Ｔｂは第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎで算出されるのに対して、第２温度Ｔｃは第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍによって算出されるので、第１温度Ｔｂには第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍの影響が入っていないが、第２温度Ｔｃには第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍの影響が入っている。従って、第２温度Ｔｃと第１温度Ｔｂとの差である補正温度差ΔＴ（＝Ｔｃ−Ｔｂ）を、ここでは、第２データＤ２の実際値と第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎとの差による影響に基づく差と見なす。

そして、制御装置２０は、内燃機関の運転中の第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍを入力して、この第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍから、第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎの下で設定された基本温度設定マップＭＰに基づいて基本温度Ｔａを算出する。それと共に、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎを入力して計算モデルにより第１温度Ｔｂを、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍとを入力し同じ計算モデルにより第２温度Ｔｃをそれぞれ算出する。また、第２温度Ｔｃと第１温度Ｔｂの差である補正温度差ΔＴを算出し、さらに、この補正温度差ΔＴを基本温度Ｔａに加えた値をピストン１０の推定温度Ｔｄとする制御を行う。これにより、ピストン１０の推定温度Ｔｄを得る。

また、制御装置２０は、この推定温度Ｔｄの時系列データにローパスフィルタ２１を適用して、この適用後の温度をピストン１０の最終温度Ｔｅとして算出する制御を行う。これにより、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍから第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎで設定された基本温度設定マップＭＰに基づいて算出される基本温度Ｔａと計算モデル（統計モデル）から得られる補正温度差ΔＴが離散的になった場合でも、ローパスフィルタ２１を通過させることにより、より連続的な最終温度Ｔｅの時系列データとすることができる。

次に、本発明の内燃機関用部品の温度推定方法について、図３に示す制御フローを基に説明する。図３の制御フローは、エンジンの運転中に、ピストン１０の温度の算出が必要な場合に、例えば、予め設定した制御時間を経過する度に、上級の制御フローより呼ばれてスタートする制御フローとして示している。

図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、基本温度Ｔａを基本温度算出手段Ｍ１１で第１データ（燃料噴射量Ｑ,エンジン回転数Ｎ）Ｄ１の実際値Ｄ１ｍを入力して、第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎに基づく基本温度設定マップＭＰを参照して基本温度Ｔａを算出する。次のステップＳ２０では、補正温度差算出手段Ｍ１２で、計算モデルにより、第１温度Ｔｂ、第２温度Ｔｃを算出する。この第２温度Ｔｃから第１温度Ｔｂを減算することで、補正温度差ΔＴ（＝Ｔｃ−Ｔｂ）を算出する。

次にステップＳ３０にて、ステップＳ１０で算出した基本温度Ｔａに、ステップＳ２０で算出した補正温度差ΔＴを加算することで、推定温度Ｔｄ（＝Ｔａ＋ΔＴ）を算出する。また、次のステップＳ４０にて、ステップＳ３０で算出した推定温度Ｔｄの時系列にローパスフィルタ２１を適用して、最終的な推定温度Ｔｅの時系列を算出する。この最終的な推定温度Ｔｅの時系列の値がピストン１０の温度の算出値となる。ステップＳ４０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

上記の制御により、本発明の内燃機関用部品の温度推定システム１を基にして、本発明に係る実施の形態の内燃機関用部品の温度推定方法として、内燃機関の燃料噴射量Ｑとエンジン回転数Ｎを第１データＤ１とし、この第１データＤ１とは異なるピストン１０の温度に影響を及ぼす単数又は複数のパラメータを第２データＤ２として、内燃機関の運転中に得られる第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍを入力して、この第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍから第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎを基にして予め実験的に設定された基本温度設定マップＭＰに基づいて基本温度Ｔａを算出すると共に、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎを入力して予め設定された統計モデルの計算モデルにより第１温度Ｔｂを、この計算モデルに第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍとを入力して第２温度Ｔｃをそれぞれ算出して、第２温度Ｔｃと第１温度Ｔｂの差である補正温度差ΔＴを算出し、さらに、この補正温度差ΔＴを基本温度Ｔａに加えた値をピルトン１０の推定温度Ｔｄとする方法を実施できるようになる。

上記の本発明に係る実施の形態の内燃機関用部品の温度推定システム１及び内燃機関用部品の温度推定方法によれば、実験的に求めた基本温度設定マップＭＰから算出される「基本温度Ｔａ」を内燃機関の運転中の第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍから算出すると共に、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎを入力して統計モデルの計算モデルで算出される「第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎに対応する第１温度Ｔｂ」を、第１データＤ１の実際値Ｄ１ｍと第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍの両方を入力して同じ計算モデルで算出される「第２データＤ２の実際値Ｄ２ｍに対応する第２温度Ｔｃ」から引き算して、統計モデルにおける第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎと実際値Ｄ２ｍの差による影響分である「補正温度差ΔＴ」を算出して、この「補正温度差ΔＴ」を「基本温度Ｔａ」に加えて、「推定温度Ｔｄ」とする。

これにより、実験的な基本温度設定マップＭＰでの温度算出と統計モデルの計算モデルによる温度算出とを組み合わせて、第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎと実際値Ｄ２ｍの差に関して、実験的に求めた基本温度Ｔａを統計モデルの計算モデルによる第１温度Ｔｂと第２温度Ｔｃとで補正することができる。そのため、より実験的なデータに近い基本温度Ｔａに対して第２データＤ２の基準値Ｄ２ｎと実際値Ｄ２ｍの差の影響を加味できるので、ピストン１０の温度を精度よく推定することができる。

従って、内燃機関の気筒内で燃料の燃焼による燃焼熱により加熱されるピストン１０等の内燃機関用部品の温度を、エンジン冷却水の温度などの影響を考慮しつつ精度よく推定することができる。

１ 内燃機関用部品の温度推定システム
１０ ピストン（内燃機関用部品）
２０ 制御装置
２１ ローパスフィルタ
Ｑ 燃料噴射量
Ｎ 回転数
ＭＰ 基本温度設定マップ
Ｔａ 基本温度
Ｔｂ 第１温度
Ｔｃ 第２温度
Ｔｄ 推定温度
Ｔｅ 推定温度の時系列データ
ΔＴ 補正温度差

Claims (4)

1. 内燃機関で発生する燃料の燃焼熱により加熱される内燃機関用部品の温度推定システムにおいて、
   前記内燃機関の燃料噴射量とエンジン回転数を第１データとし、この第１データとは異なる前記内燃機関用部品の温度に影響を及ぼす単数又は複数のパラメータを第２データとして、前記第１データと前記内燃機関用部品の温度の実験値との関係を示す、第２データの基準値に基づいて予め実験的に設定されたマップデータ又は関数と、前記第２データの前記基準値若しくは前記第２データの実際値と前記第１データの実際値を入力として前記内燃機関用部品の温度を算出する統計モデルの計算モデルとを、該温度推定システムを制御する制御装置に備えると共に、
   前記制御装置が、前記内燃機関の運転中に得られる前記第１データの実際値と前記第２データの実際値を入力して、
   前記第１データの実際値から前記マップデータ又は関数に基づいて基本温度を算出すると共に、
   前記第１データの実際値と前記第２データの前記基準値を入力して前記計算モデルにより第１温度を、前記第１データの実際値と前記第２データの実際値とを入力して前記計算モデルにより第２温度をそれぞれ算出して、前記第２温度と前記第１温度の差である補正温度差を算出し、
   さらに、この前記補正温度差を前記基本温度に加えた値を前記内燃機関用部品の推定温度とする制御を行うように構成される内燃機関用部品の温度推定システム。
2. 前記制御装置が、
   前記第２データとして、エンジン潤滑油の油圧、油温、吸気量、燃料噴射開始時期のうちの少なくとも１つ以上を使用する制御を行うように構成される請求項１に記載の内燃機関用部品の温度推定システム。
3. 前記制御装置が、
   前記推定温度の時系列データにローパスフィルタを適用する制御を行うように構成される請求項１または２に記載の内燃機関用部品の温度推定システム。
4. 内燃機関で発生する燃料の燃焼熱により加熱される内燃機関用部品の温度推定方法において、
   前記内燃機関の燃料噴射量とエンジン回転数を第１データとし、この第１データとは異なる前記内燃機関用部品の温度に影響を及ぼす単数又は複数のパラメータを第２データとして、
   前記内燃機関の運転中に得られる前記第１データの実際値と前記第２データの実際値を入力して、
   前記第１データの実際値から前記第２データの基準値を基にして予め実験的に設定されたマップデータ又は関数に基づいて基本温度を算出すると共に、
   予め設定された統計モデルの計算モデルに前記第１データの実際値と前記第２データの前記基準値を入力して第１温度を、前記計算モデルに前記第１データの実際値と前記第２データの実際値とを入力して第２温度をそれぞれ算出して、前記第２温度と前記第１温度の差である補正温度差を算出し、
   さらに、この前記補正温度差を前記基本温度に加えた値を前記内燃機関用部品の推定温度とすることを特徴とする内燃機関用部品の温度推定方法。

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