JPS5918267A - 燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、内燃機関における気筒内圧力情報を用いて
、点火時期を適宜調整することにより機関の出力又は効
率が最大となる（これを通常Ｍ　１３１’制御：へ４ｉ
ｎｉｍｕｍ　ａｄｖａｎｃｅ　（ｏｒ　Ｂｅ５ｔ　Ｔｏ
ｒｑｕｅ　　と称する）ように、燃焼を制御する方法に
関する。

（背景技術） 機関の燃焼制御方法としては、燃焼によるンリンダ内圧
を検出し、この圧力が最大となるクランク角位置が、予
め定められた所定値となるように点火時期を制御する方
法を本願出願人は提案して（・る。機関によって多少の
差異はあるが、燃焼室内圧が最大となる位置（以後θＰ
ｍａ　ｘとする）が、クランク角で上死点後（以後Ａ　
Ｔ　Ｔ）　Ｃとする）＋（１０〜２０°の位置にくるよ
うに点火時期を設定した場合に、その機関の発生トルク
が最大となる。従って、点火時期をフィードバック制御
して、燃焼室内圧が最大となるクランク角位置がＡ　Ｔ
　Ｉ）　ＣＩ（１０〜２００となるように調整すること
で、発生ｌ・ルクを最大にすることができる。

第１図は、この方法を用（・た点火時期制御装置の原理
を示すブロック図である。同図におし・て、１はシリン
ダ内圧検出器、２はクランク角位置検出器、３はθＰｍ
ａｙ検出回路、４はメモリ、５はσＰｍａＸ演算回路、
６は比較器、７は点火時期調整器である。シリンダ内圧
検出器ｌで検出されるシリンダ内圧Ｐとクランク角位置
検出器２で検出されるクランク角回転位置θとの関係を
第２図に示す。同図にオ６いて、Ｐｍａｘは１ザイクル
についてシリンダ内圧Ｐが最大となる埴を示し、ｏＰｍ
ａＸはこの時の回転位置を示す。

θＰｍａＸ検出回路３は、シリンダ内圧検出器１及びク
ランク角位置検出器２かもの信号を入力し、連続するサ
イクルについて各サイクルごとに、（θＰｍａｘ）ｌ　
＋　（θＰｍａｘ）２　’・・・・・・（θＰｍａｘ）
ｋ’・・・・・・（θＰｍａｘ）。を求めメモリ４は、
各サイクルごとの（θｐｍａｘ）ｋ’に＝１〜＋１を記
憶する。ｎＰｍａｘ演算回路５は、所定回数１１個の（
θｐｍａｘ凡の平均値θＰｍａｙｎ 九ｍ１ｌＸ　”＝−Σ（θＰｍａｙ）ｌ＜　　　−＝ｍ
■　　ｋ＝１ を演算する。

前述したように、機関の出力又は効率が最大になるよう
に制御するためには、このθｐｍａｘが基準値Ｃｍ１ｎ
　〜Ｃｍａｘ度Ａ　Ｉ”　Ｊ）　Ｃの範囲内にあるよう
に、点火時期を調整する必要かある。従って、比較器６
はこのｊｐｍｈｘをＣｍ１ｎ〜（シｌ１１ａＸと比較し
、Ｃｍ１ｎ　＜ｏＰｍａＸ　りＣｍａｘ　　　　　”・
（２）であれば、機関はへ４　Ｂ’Ｊ”制御状態である
と判定する。また θＰｍａｘ　＜　Ｃｍ１ｎ　　　　　　　　　　−（３
）であれば、機関はＭ　Ｂ　’Ｊ”制御状態ではないと
判定し、点火時期を ΔＡＤＶ＝ｆ、（θＰｍａｘ　　Ｃｍ１ｎ　）　　　−
（４）（但し、ｆ、は関数であることを示す）だけ遅ら
せる。同様に θＰｍａｘ　＞　Ｃ１ｎａＸ であれば、機関はＭ　Ｂ　Ｔ制御状態ではなし・と判定
し、点火時期を ΔＡｌ）Ｖ　＝　Ｃ２（θＰｍａｘ　　ｃｌｎａＸ　）
　　　　（５）たけ進ませる。これらの点火時期の調整
は、点火時期調整器７で行なう。

また、第３図にこれらの動作のフローチャートを示す。

以上説明したように、このような燃焼制御方法は、確率
的はばらつくｏＰｍａＸを平均操作した量”ｐｍａＸが
所定値Ｃ２゜ｉｎ　−Ｃｍａｘの範囲内にあるように、
点火時期をフィードバック制御する構成となっている。

しかしながら、このような従来の燃焼制御方法は、次の
ような問題点がある。

（１）所定回数のθＰｍａｘからその平均値θｐｍａｘ
を蓼 得るための平均操作での時間的な遅九により、フィード
バック制御への応答が遅れる。

（２）内燃機関は動的システム（ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｙ
ｓｔｅｍ　）である。ずなわち、システムの出力ｙ（ｔ
＋）は同じ時点の入力ｕ（ｔ、）だけでなく、過去の入
力ｕ（ｔ；ｔ＜ｔ、、）によっても影響される。前述し
た燃焼制御方法では、点火時期とｏＰｍａＸ間の動的挙
動（ｄｙｎａｍｉｃ　Ｉ）ｅｈａｉｖｏｒ　）を考慮せ
ずにフィートノ（ツク制御する構成となっている。

これらのことから、特にエンジンの加速や減速、低負荷
から高負荷へ又は高負荷から低負荷へ等の過渡時には、
θＰｍａｘを所定値にレギーレートすることが困Ｍであ
る。

（発明の目的） この発明は、このような従来の問題１点に着目［−でな
されたもので、機関を動的システムとして捕え、機関の
内部状態を規定する状態変数によって機関の動的挙動を
推定しながら機関の入力変数を決定する状態変数制御の
方法を用いて、過渡時に特にその振舞いが生じる燃焼の
動的挙動一点火時期とθＰｍａｘ間の確率的ダイナミク
スーを考慮して点火時期制御をすることにより、上記問
題点を解決することを目的として見・る。

（発明の構成及び作用） 歩、下、この発明を図面に基づいて説明する。第４図に
この発明の一実施例の構成を示す。同図において、８は
ある運転条件でＭ　Ｂ　Ｔとなる点火時期検出器（図示
しない）で検出した点火時期との摂動分δ■′１゛を人
力とし、ある運転条件でＭ　１３１’となる気筒内圧力
と気筒内圧検出器（図示しなし・）とクランク角位置検
出器（図示しな（・）とから検出された気筒内圧が最大
となるクランク角度θＰｍａｙとの摂動外δθＰｍａｘ
を出力とする制御対象である機関の線形化されたシステ
ムの回転同期ザンブル値系の、実験から得られた伝達関
数ＥＭ（ｚｌを示ず。

θ１、ｍａｘは前述したように確率的にばらつき、ある
確定歇にノイズＮが加法的に加わったものとみなすこと
ができる。

９は制御対象である機関（伝達関数Ｔ（ｚ）で表わされ
る）の確率的ダイナミック状態情報を記憶して（・て、
入力δＩＴと確率的にばらり（出力δθＰｒｎａｘから
機関のダイナミックな内部状態を推定する状態に測器（
カルマンフィルタ）であり、内部状態を代表する状態変
数量δＸ（例えば、δＸ１．δＸ２　　を要素どする状
態変数ベクトル）の推定値δＸを計算する。

状態観測器９は、制御対象である機関８をシミュレーシ
ョンするもので、ダイナミックな内部状態を状態変数δ
ｘ（ｎ次のベクトルδＸ、〜δｘｎ）で代表させる。こ
の状態変数δＸは、実際の内部状態を表わす種々の物理
量に対応させる必要はな℃・。また状態変数δＸの次数
１１は、ｎが大き（・程シミーレーションが精確になる
が、反面割算が複雑になる。この発明の１人力１出力の
場合には、Ｉ］−２程度が妥当である。

川は状態観測器９により推定して得られた状態情報δＸ
をゲイン−に倍して入力にフィー　ドバンクするゲイン
ブロックである。

次に作用を説明する。

一般に機関は、同一運転条件で、同じ点火時期、同じ燃
料噴射量であっても、燃料挙動は確率的にばらつき、気
筒内圧力の最大となるクランク角度θＰｍ　ａｘも確率
的に分散する。このような確率的システムに対しては、
確率的ダイナミックモデルをあらかじめ求め、制御する
必要がある。

この発明は、ある機関に対してはへ４　Ｂ　Ｔとなるθ
Ｐｍ　ａｘが一定となるという事実に基づき、点火時期
ｉ　’＋”を制御することによりθＰｍａｘ　ｉ／］″
；　Ｍ　Ｂ　Ｔとなるようにレギコレータ制御する方法
であり、確率的にばらつくθＰｍａｘの統言１量を実験
的に求めておき、確定的なモデルに加え確率的モデルを
作成し、過渡時も最適に所定θＰｍａＸにレギーレート
するように制御する。

まず伝達関数１．’（ｚ）から機関の動的な振舞いを記
述する状態変数モデル ａｘ（ｎｌ　＝　ＡδＸ（ｎ−１）　＋　ＢδＩＴ（＋
ｉ−＋）　　−（（３）δθｐｍａｘ（１１１）　””
　Ｃδ）（（ｎ−１）＋　Ｎ（ｎ−＋　）　　−（力を
導く。ここで容量のカッコ内の（ｎｌは現時点を、また
（ｎ−１）は１つ前のザンプル時点を表わす。

δＩＴ（ｎ−＋）は制御入力で、δθｐｍａｘ（”　）
は出力であり、ノイズＮ（ｎ−４）が加わっている。行
列Ａ。

Ｂ、Ｃは、運転条件ごとの伝達関数１．’（ｚ）の係数
から決まる定数行列である。

ここで、次のようなアルゴリズムを持つ確率的状態観測
器（カルマンフィルタ）を構成する。

ａｘ（ｎ）　＝　（Ａ　−ＧＣ）δ）ｃ（ｎ−１）＋　
ｆ３δＩＴ（ｎ−＋）＋Ｇδθｐｍａｘ（ｎｌ　）　　
　　　　　　−（８）ここに、Ｇは任意に与えられる行
列で、δＸ（・）（（・）は任意のサンプル点を表わす
）は機関８の内部状態変数である。式（Ｇ）　、　（力
、（８）より変形すると、〔ａｘ（ｎｌ−δＸ　（ｎ）
　’］　−（Ａ　−ＧＣ）ＣδＸ（＋１−＋）〜δＸ（
Ｉ＋−１）：）・・（９） となる。

ここで、ノイズＮ（・）（（・）は任意のサンプル点を
表わす）に対する仮定として、 Ｅ（Ｎ（ｎ）　）　−〇　　　　（Ｅ（・〕：集合平的
）・・・（１０）その分散が Ｅ［Ｎ（ｎ）Ｎ（τｌ：］−ｑ　　（嘗１．τ：任意）
　　　　・・・（団とする０また　、（１（）ｇδＸ（
ｋｌ−ａｘ（ｋ）　　を、適当な平均値と分散行列をも
つ誤差確率ベクトルどする。

これらの仮定のもとで、次の評価関数Ｊを最小にする式
（８）　、　（９）のゲインＧを決定し、カルマンフィ
ルタを構成する。

Ｊ−Ｉ弓Ｃｅ（ｎ）　ｅ（ｎ）　〕　　　　・・・（１
２）最適ゲインは Ｇ＝（ｑ＋Ｂ　ＰＢ）ＢＰＡ　　　・・・（１３）で力
えもれ、Ｐはリカソティ（ＩＬｉｃｃａｌｉ　）方程式
％式％（１４） の正定解である。

このように推定された状態情報から、θＰｍａｙの一定
値制御を行なうため、次のような状態フィードバックを
施す。

δ１　’１．”（ｎｌ　＝　−ＫδＸ（川　　　　　−
（１５１ここで、ゲインＫを、次の評価関数Ｊが最小と
なるように決定する。

・・・（１６） ａは、制御入力の制約項δ■Ｔ２の重みを調整するもの
で、δ■′Ｆの制御範囲、過渡特性をみて決定する。式
（（６）の評価関数は、所定値ＯｐｍａＸとの偏差の２
乗δＯＰｍａｘを常に最小にするもので、このようなゲ
インには次のリカソティ（Ｉ（，１ｃｃａｔｉ　）方程
式％式％（１７） を解（・たＰを用いて、 Ｋ　＝　（ａ−１−Ｂ’ＰＢ）　’Ｂ’ＰＡ　　　−（
１８）となる。従って、運転条件ごとのＡ、Ｂ、Ｃを用
いて解（・たゲインＫを記憶しておき、その運転条件の
合ったゲインをルックアップすればよい。

第５図に、以上説明した燃焼制御手順のフローチャート
を示す。手順を説明すると、気筒内圧検出器からの筒内
圧情報により、筒内圧最大となるクランク角度θｐｍ　
ａｘを検出しくステップ１１）、へ４　ＨＴとなるクラ
ンク角度θｐｍａＸと比較し、δｏＰｍａｘを計算する
（ステップ１２）。次に式（８）のアルゴリズムに従か
い状態推定を行なう（ステップ１３）。

次に、ステップ１３で推定されたグイナミソク状態情報
δＸ、δＸ２を用いてフィードバックゲインｋ　、、ｋ
　、。

を乗じ、最適制御入力の基準値からの増量分を計算する
（ステップ１４）。以上の手順中の係数ａｉｊ。

ｂｉ、ｇｉ、ｋｉは運転条件ごとに求めておき、マイク
ロコンビーータ等に記憶しておき適宜ルックアンプする
。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明によれば、その構成
を点火時期と確率的にばらつくθｐｍａｘの間のダイナ
ミックを考慮した上での点火時期の最適制御を行なう方
法としたため、過渡時のダイナミックな最適制御を行な
うことで、過渡時もθＰｍａｙを所定値にレギーレート
でき、最大トルク運転ができると℃・う効果が得られる
。第６図は加速時の所定θＰｎ＋ａｘ　（］−５°Ａ　
’Ｉ”　Ｄ　Ｃとした）への追従性を従来法（Ａｌと本
方法（Ｂ）で行った結果を示し、（Ｂｌの追従性の良さ
が表われている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関における燃焼制御装置のブロッ
ク図、第２図は機関軸回転位置とシリンダ内圧との関係
を示すグラフ、第３図は第１図の装置の動作を示すフロ
ーチャート、第４図はこの発明による内燃機関における
燃焼制御方法を実現する制御装置の構成図、第５図はこ
の発明による制御方法を説明するフローチャートである
。第６図は１本発明の効果を加速時の実験結果から表わ
した図である。 １・・・シリンダ内圧検出器 ２・・クランク角位置検出器 ３・・θＰｍａＸ検出回路 ４・　メモリ ５・　θＰｍ　ａｘ演算回路 ６・・・比較器 ７・・・点火時期調整器 ８・・・内燃機関（制御対象） ９・・・状態観測器（カルマンフィルタ）１０・・・ゲ
インブロック Ｎ・・ノイズ 特　　許　　出　　願　　人 日産自動車株式会社 特許出願代理人 弁理士　　　山　　本　　恵　　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内燃機関の気筒内圧力情報に基づき、点火時期により内
   燃機関の燃焼がＭ　Ｂ　Ｔ　（Ｍｉｎｉｍｕｎ　ａｄｖ
   ａｎｃｅｆｏｒ　１３ｅｓｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　）となる
   ように制御する方法において、点火時期１′１゛と気筒
   内圧力が最大となるクランク角度を求め、制御入力であ
   る点火時期Ｉ′Ｆと、制御出力である気筒内圧力が最大
   となるクランク角度θＰｍａＸとの間の確率的ダイナミ
   ックモデルに基づき、前記内燃機関のダイナミックな内
   部状態を代表する適当な次数の状態変数量ｘｉ（ｉ　−
   Ｌ２．−ｎ　）　ヲカルマンフィルタにより推定（７、
   該推定された状態変数酸マ１をゲインｋｉ（ｉ＝１．２
   ．・・ｎ）倍して点火時期にフィードバックすることに
   より、前記θＰｍａｘが所定量となるよう制御ずろこと
   を特徴とする燃焼制御方法。