JPS5918268A - 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、内燃機関において、希薄燃焼時に久筒内圧
力情報から、点火時期を適宜調整して機関の出力又は効
率が最大となる（これを通常ＭＢＴ制御：　Ｍｉｎｉｍ
、ｕｍ　ａｄ、ｖａｎｃｅ　ｆｏｒ　Ｂｅ５ｔ　Ｔｏｒ
ｑｕｅと称する）ように制御し、かつ安定度良く燃料を
制御する内燃機関の燃焼制御方法に関する。

（背景技術） 機関の燃焼制御方法としては、燃焼によるシリンダ内圧
を横比し、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
法がある。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θｐｍ（Ｌｔとする）が、ク
ランク角で上死点後（以後Ａ’ｌ’ＤＣ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ＡＴＤＣ１，００〜２ｏ０となるよう
に調整することで、発生トルクを最大にすることができ
る。又、希薄燃焼時はリーンにしていくと安定度が悪く
なり、その指標としてはθｐｍａ、ｘの分散値と対応す
ることが実験的に知られており、θｐｍａｘの分散を見
て燃料を制御１している。

第１図に＋：　、この方法を用いた点火時期制御装置の
原理を示すブロック図である。同図において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
ａよ検出回路、４はメモリ、５はθアｍａよ演算回路、
６は比較器、７は点火時期調整器、８はＶθ　　演算回
路、９は比較器、ＩＯは７）η’ｒｎ、ｘ 燃料噴射時間調整器である。

１ず点火時期により燃焼を制御する方法について説明す
る。シリンダ内圧検出器１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。同図において、Ｐ　　
は１ザイクルについ？７Ｌｇ てシリンダ内圧Ｐが最大となる値を示し、θ７＋７７１
（Ｚ＄はこの時の回転位置を示す。

θｐｍａｘ検出回＃５３は、シリンダ内圧検出器１及び
クランク角位置検出器２がらの信号を入力し、連続する
サイクルについて各サイクルごとに、（θ７ｙｙｎｔｘ
ｘ　）　＋　＋　（θｐｍａｘ　）　２　Ｉ−（６７３
ｍ（ＬＺ　）　／６　、１’（θｐｒｎ（Ｌ！　）　ｎ
　　を求め、メモリ４は各サイクルごとの（’ｐｎｔｃ
ｔｘ　）ｋ、　ｋ　＝　ｌ〜ｎを記憶する。ｊｐｍａｓ
演算回路５は、所定回数ｎ個の（θｐｍａｓ　）　ｋの
平均値を演算する。

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θ２ｍヤが基準１直Ｃｍ？、
ｎ〜Ｃ７，，，ａｘ度ＡＴ　Ｄ　Ｃの範囲内にあるよう
に点火時期を調整する必要がある。従って、比較器６は
この”　ｐｍａｘをＣ？７ＬＺｎ−Ｃｍａ、ｚと比較し
、Ｃｍ１ｎ　りθｐｍｔｒｘ　りＣｍａｘ　　　　　　
”’ｔ２Ｊであれば、機関はＡ（ＢＴ制御状態であると
判定する。また θｐｎｕｘｘ　＜　Ｃｍ１ｎ　　　　　　　　　　−ｔ
３）であれば、機関はＭＢＴ制御状態ではないと判定し
、点火時期を ΔＡＤＶ＝ｆ＋（θｐｎｕｘｘ−ｃｍｉｎ）　　　　・
・−（４Ｊ（但し、ｆｌは関数であることを示す）だけ
遅らせる。同様に θｐｍｔｔｘ　＞　Ｃｍａｘ であれば、機関はＭＢＴ制御状態ではないと判定し点火
時期を、 ΔＡＤＶ＝ｆ２（”ｐｍａｘ　　Ｃｍａｓ）　　　−ｔ
５］だけ進１せる０これらの点火時期の調整は、点火時
期調整器７で行なう０ １だ、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、このような従来の燃焼制御方法は
、確率的にばらつくθｐｍσを平均操作した量θアｍａ
ｘが所定値Ｃ力、２，７、〜Ｃ７？＋、（ＩＬ工の範囲
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。

次に燃料を制御する方法について説明する。

前述したように、機関の安定度の指標としては、θｐｍ
ａｓの分散値と対応することが、実験的に知られている
。第１図において、分散Ｖθ　　演算回ｍｎｓ ｗＪ８は、谷サイクルについて求めたｎ個のθｐｍａｓ
から、その分散Ｖθ　　　を、 　ｍａｚ で計算する。比較器９は、この分散Ｖθ　　を所ｍａｘ 定領１（Ｏと比較し、 ｖｏｐｍｃＬｘ　”。　　　　　　　　　　　−１７〕
であれば、機関は安定と判定する。

Ｖｏｐｍａｘ　＞　Ａ’ｏ　　　　　　　　　　　　”
’（８］であれば不安定と判定し、燃料噴射時間調整器
１０により燃料噴射時間Ｔｉを ΔＴｉ−ｈＩ（Ｖθｐｍａｘ　　Ｋｏ　）　　　　　　
＝（９）だけ多くして、燃料を濃くする。ただし、ｈ、
は関数である。

葦た、所定値としても９１つの値に、（ただしに、＜、
に、）を設定し、 Ｋ＋　＜　Ｖｏｐｍａｓ　’Ｅ；　ＫＯ−（Ｉ　Ｏ）の
場合には、その状態を維持し、 Ｖθｐｍａｘ　＜Ｋ＋　　　　　　　　　　・・（ＩＩ
）の場合には、燃料噴射時間Ｔｉを ΔＴｉ＝ｈ、２（Ｖθｐｍａｘ　　Ｋ＋　）　　　−（
１２）だけ少なくして、燃料を薄くする。ただし、ｈ２
は関数である。なお実験によれば、所定値の実際値はＪ
（ｏ”　１５　、　ＫＩ＝４　である。

第３図に、この方法のフローチャートラ示す。

しかしながら、このような燃焼制御方法にあっては、確
率的にばらつくθｐｎＬａＺを統計処理（平均、分散）
した量に基づいて行なうが、統計処理での時間的な遅れ
、あるいは点火時期、燃料入力とθｐ？？１（ＬＺの統
計量であるθｐｎＬ（ＬＺ　＋　Ｖθｐｍａｘ　間の動
的挙動（ｃｉｙｗ、ｍ、ｉｃ　ｂｅｈｔｔｖｉｒｏｒ　
）を考朦せずそれぞれ独立にフィードバック制御する構
成となっていたため、過渡時にはθｐｍａｓを所定１１
σにレギーレートすることが困難となり、しかも安定度
の制御性も悪いという問題点があった。

（発明の目的） この発明は、このような従来の問題点に着目し２てなさ
れたもので、過渡時に特にその振舞いが生じる燃焼のダ
イナミックを考慮して、点火時期表燃料制側１をするこ
とにより、上記問題点を解決することを目的とする。

（発明の構成及び作用） そこでこの発明は、以下に説明するδＩＴ　とδＦｖｂ
ｅｌとを制御入力とし１　δ０ｐｍｚとδｖ　ｅ７ｙｍ
ａｘ、とを制御出力とする機関のダイナミックモデルに
基づいて、上記各制御入力と各制御出力とで多変数制御
することを特徴とするものである。

以下この発明を図面に基づいて説明する。

第４図は、この発明の一実箔例を示す図である。

ｌず構成を説明する。１１　は、ある運転条件でＮＥＴ
　、！：なる点火時期からの摂動分を表わすδ７Ｔ及び
希薄燃焼で目標安定度に対応したθアｍａｘの分散を実
現する燃料からの摂動分δＦｕｅｌとを入力とし、ＭＢ
Ｔとなる気筒内圧力が最大となるクランク角度θ２ｍヤ
からの摂動分を統計処理（例えば移動平均）した量を表
わすδθ２ｍ工及びθ、つａ工の目標分散Ｖθｐ７）［
よからのズレ分δＶθ、つ。とを出力とする線形化され
たシステム（制御対象である機関）の回転同期サンプル
値系の、実験から得られた伝】２は制御対象である機関
のダイナミック状態情報を記憶していて、入力δＩＴと
δｐｕｅｌ及び出力δθ　　とδＴ７θｐｒＭ、工から
機関のダイナミックな内ｐｔｎ、ａ、ｘ 部状態を推定する状態観測器であり、内部状態を代表す
る状態変数量δＸ（例えばδｘ、Ｉδｘ２．δＺ３１δ
Ｔ４を要素と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１２は、制御対象である機関をンミーレーノ
ヨノするもので、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δｘ１〜δｘ、７）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い。

葦た状態変数δＸの次数ｎは、ηが大きい程ンミュレー
ションが精確になるが、反面計算が袂雑になる。この発
明の２人力２出力の場合には、ｔｌ−４程度が妥当であ
る。

１３は、状７帖観測器１２により推定して得られた状態
情報をゲイン−に倍して入力にフィードバックするゲイ
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１１３期、燃料
噴射量であっても、燃焼挙動は確率的にばらつき、気筒
内圧の最大となるクランク角度θｐｍヤも確率的に分散
する。このよりなシステムに対し確定的制御を行なうに
は、伺らかの統計処理を１〜て確定量を抽出しなければ
ならない。

この発明は、ある機関に対してはＭＢＴとなるθアｍａ
ｘが一定となり希薄燃焼で窒燃比ＣＡ／Ｆ）金大きくし
てい６くと安定度が悪化し、θｐｍａｘの分散が大きく
なるといつ事実に基づき、点火時期燃料制御により、θ
ｐｍａｘがＭＢＴとなるようレギュレートし、かつ安定
度を悪くしｉいよう制御する方法であり、確率的にばら
つくθｐｍａｘ　′ｆ：統計処理しＨｔ制御出力として
用いる。統計処理の例としては平均、分散があるが、こ
こでは移動平均量δθｐｍｔｔｘと分散δＶθｐｍａ、
ｘ　ｋ　（！：る０統計処理することで遅れ時間を生ず
ることになるが、この遅れ時間は機関の伝達関数行列Ｔ
（２）の中に含１れる。

１ず１’（Ｚ）から、機関の動的な振舞い′ｆ！：：記
述する状態変数モテル δＸＩｎＪ　＝へδＸ　（ｎ、−＋　）　＋　１３δｕ
（ｎ、−＋）　　　　−（１４）δｙ　（ｎ−１）　＝
　ＣδＸ（７Ｚ−１）　　　　　　　　−（１５）を導
く０各量カツコ内のｉｎ）は現時点を、デだ（ｎ−１）
はｊつ前の時点を表わす。δｕ（７１，−１）は制＠Ｊ
入力で、δＩＴ　　　、δＦｕｅ　Ｌ　　　　ｉｆ：要
素とする。

（ｎ−＋　）　　　　　（Ｗ−１） δ７（＞ｔ−１）は制御出力で１　δθｐｍａｘ　（ｔ
ｉ−１）　＋δＶθｐｎｖｔｘ　（ｎ−１）を要素とす
る。行列へ、Ｂ、ｃは運転条件ごとの伝達関数行列’ｌ
’ｆｚ）の係数から決する定数行列である。

ここで、次のようなアルゴリズムを持つ状態観測器を構
成する。

δ”（７１，）　”　（へ−ＧＣ）δｘ　（ｎ−１）　
十ｆ３　Ｊ　ｕ　（ｎ−＋　）　＋Ｇδｙ（？Ｚ−１）
・・・（１６） ここに、Ｇは任意に与えられる行列で、δマ（、）（（
りは任意のザンブル点を表わす）は推定された機関の内
部状態変数である。（工４）（１５）（１６）式より変
形すると、 〔δＸ（、。−δ”（７１，）　〕＝　（バーＧＣ）〔
δ菊−１．−δ町、）〕・・・（１７） となり、（Ａ　ＣＡＣ）行列の固有値が単位円内にある
ようにＧを選べば、 ｎ１人で　δ父　→δｘ（７？、） （ｎ） となり、内部状態δＸ（７１，）を入出力より推定する
ことができる。

また、Ｇを適当に選び、（Ａ−ＧＣ）の固有値が全て零
とすることも可能で、この時状態観測器は有限整定状態
観測器となる。

このよりに推定された状態情報から、θ７ｙｍｔｙｘ及
びθ、ｎ□。の分散の一定値制側Ｊを行なうため、次の
ような状態フィードバンクを確こす。

娩＝−にδ【（ｎ、　　　　　　　・・・（１８）ここ
で、ゲインＫを、次の評価関数Ｊが最小になるよりに決
定する。

′″　　ｔ Ｊ：Σ〔δｙＱδｙ十δｕ　Ｍｕ　〕・・（１９）ｋ＝
。

ただし、Ｑ、Ｒは重みパラメータである。Ｒは、１ＪＩ
Ｊ　８人力の制約塙の重みを調整するもので、δＩＴ。

δＦｕｅ１．の制御範囲、過渡特性を見て決定する。

（１９）式の評価関数は、所定θｐｍヤと所定分散＊ ＶθｐｎＬｃＬｘとの偏差の２乗δθｐｍ（Ｌｘ＋δＶ
θ扁（Ｌ＄　　を常に最小にするもので、このようなゲ
インには、次のリカノテイ（Ｒｉｃｃａｔｉ　）方程式
２式％（２０） を解いたＰを用いて、 Ｋ＝ＣＲ＋ＢＰｋ３）　　ＢＰ八　　　・・・（２１）
となる。従って、運転条件ごとのハ、Ｂ　、Ｃを用いて
解いて求めたゲイン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０ 以上の燃焼制側Ｊ＋順を示したのが第５図である。

手１幀を税関すると、気筒内圧検出器及びクランク角位
置検出器からの情報により、筒内圧最大となるクランク
角度θｐｍａｘ　を検出しくステップ１４）、各ザイク
ルについて求めりｎ１１ｉ！ｉｌのθｐユ、からその移
動平均を算出しＭＢＴとなるθｐｍａｓと比較しδ７　
　を計算し、また上記θアｍａ工からその分散ｐηｍｌ 全計算し所定分散Ｖす、市と比較しδＶθア□。を計算
する（ステップ１５）０次に（１６）式のアルゴリズム
に従かい状態推定を行な′）（ステップ１６）。

この例では、　　“ となるＧを選択し、有限整定状態観測器を構成している
。次に、ステップ■６で推定されたダイナミック状態情
報δｘ１．δｘ２．δｘ３．δｘ４を用いて＼フィード
バックゲインー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。以上の手順中の係数Ｂ　、Ｇ、　Ｋ
は、運転条件ごとに求めておき、バじ１．低し、適宜ル
ックアップする。

（発明の効果） 幻、土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θ　　　供給燃料とθｐηＬａαｐ）ｎ
ｌＬＩｚ 分散、史には確率的にばらつくθｐｍａｘの統計処理で
生じる遅れ等のダイナミックを考慮した上での最適１１
ｉ１１仰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りことで、過渡時もθｐａｎヤ金所
定領にレギーレートでき、（−かも安定度を悪化させる
ことなく希薄燃焼させ、最大トルク運転ができるという
効果が得られる。図６は加速時の所定θ２２．ユｘ（１
５°ＡＴＤＣとした）への追従性と所定分散内への制御
を従来法（川と本方法＋Ｂ）で行った結果を示し、１Ｂ
）の方法の良い効果が表わされている。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関における従来の燃焼制御装置のブロッ
ク図、第２図は機関軸回転位置上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
の発明による開側１方法を説明するフローチャートであ
る。 第６図は、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・・・θ２ｍヤ検出回路、　　４・・・メモ
リ、５・・・θｐｍａ工演算口演算回路９・・・比較器
、７・・・点火時期調整器、　　８・・・Ｖθ　　演算
回路、ｍａｘ １０・・・燃料噴射時間調整器、１１・・・内燃機関（
制？１ｌＩ１１対象）、■２・・・状態観測器、１３・
・・ゲインコントロール、θｐｍｃｒｘ・・・気筒内圧
が最大となるクランク角位置、Ｃ□。＋　Ｃｍ１ｎ・・
・θｐｍａケの所定イ直、Ｖθｐ２頑、Ｚ　”°θｐｍ
ａｘの分散１ＫＯ，に、・Ｖθ　　の所定値。 ｎｍＺ 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)

1. 【特許請求の範囲】 内燃機関の気筒内圧検出器に基づき、点火時期及び燃料
   供給量により機関の燃焼を制御する方法において、点火
   時期及び燃料供給量と、気筒内圧力が最大となるクラン
   ク角度を統計処理した量との間の接散の確定的ダイナミ
   ックモデルに基づき、ある運転条件でＡｆ　Ｂ　Ｔ　（
   Ｍｉｎｉｍｕｍ　ａｒｌｖａｎｃｅ　ｆｏｒ　Ｂｅ５ｔ
   Ｔｏｒｑｕａ　）となる点火時期との摂動分δＩＴ　及
   び希薄燃焼で目標安定度に対応したθアｍａ工の分散を
   実現する燃料からの摂動分δＦｕｅ　ｌと、ある運転条
   件でＭＢＴとなる気筒内圧力が最大となるクランク角度
   θｉｍａｘに対する気筒内圧検出器及びクランク角位置
   検出器によシ検出された気筒内圧力が最大となる各サイ
   クルについて求めた所定回数のクランク角度θｐｍσを
   統計処理した量θア□。の摂動分δ７　　及び所定分散
   Ｖθ−□に対する前記ｍａｘ θｐｍあの分散Ｖθアｍａ、ｘの摂動分δＶ０．ｐｍヤ
   とから、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δｘ７　（ｉ　＝　１．２
   ．・・ｎ）を前記確定的ダイナミックモデルが推定し、
   該推定された状態変数量δ耐をゲインに７（ｉ＝１，２
   ゜・・・ｎ）倍して点火時期及び燃料供給量にフィード
   バックすることによシ前記θｐ弧ｘ及びＶθｐｔｍＺが
   所定素上なるように制御することを特徴とする燃焼制御
   方法。