JP2006336645A - 拡張カルマンフィルタによる内燃エンジンのシリンダ内の空燃比の推定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、空燃比を測定する検出器を含む排気回路を有する内燃エンジンの各シリンダ内の空燃比を推定する方法に関する。カルマンフィルタに基づく推定器が、複数のシリンダからの気体の排出と、それらの気体の検出器までの排気回路内の移動とを表している物理モデルに結合されている。
【選択図】図3
Description
モデルの少なくとも1つの変数から、前記検出器によって測定される前記空燃比(λ)の推定値を定めるステップと、
前記測定される空燃比の推定値を考慮に入れて、前記検出器の伝達関数のモデル化を行うステップと、
前記伝達関数の前記モデル化を考慮に入れて、複数の前記シリンダの各々からの気体の排出と、前記排気回路内における前記検出器までの気体の移動とをリアルタイムで表す物理モデルを定めるステップと、
前記モデルを拡張カルマン型の非線形推定器に結合するステップと、
前記拡張カルマン型の非線型推定器によって前記各シリンダ内の前記空燃比の値をリアルタイムで推定するステップと、
を有することを特徴とする、内燃エンジンの各シリンダ内の空燃比を推定する方法に関する。
前記測定される前記空燃比(λ)を、前記排気マニフォールド内の気体の総質量(MT)と前記排気マニフォールド内の新気の質量(Mair)との関数として推定してもよい。
−推定をタービンの出口の1つの空燃比プローブを基に行う場合のコスト価格
−排出物質の削減
−運転のしやすさ(伝達されるトルクの調節)の改善
−燃費の低減
−燃料噴射装置の診断(噴射ノズルのドリフトの検出や噴射装置の故障の検出)
排気プロセスの説明
排気プロセスは、気体が排気弁から外気(排気サイレンサの出口)まで移動する経路を有している。本実施形態のエンジンの例は、2200cm3の4シリンダエンジンである。このエンジンには、可変容量ターボ過給器が備えられている。図1の模式図は、排気プロセスの具体的な構成部材を示している。
−λ1からλ4は、4つのシリンダの各々の内部の空燃比である。
−SRは空燃比プローブである。
−CEは排気マニフォールドに対応している。
−Tはターボ過給器のタービンに対応している。
−DS1からDS4は、シリンダの出口での流量を表している。
−排気弁を通過する。排気弁はカム軸によって制御され、そのリフトローは釣り鐘形状である。流量は、弁が開いているときの高い値から、シリンダとマニフォールドの圧が等しくなったときの低い値まで変化し、ピストンが排気ガスを排出するように再び上に摺動し始めた時に再び増加する。
−マニフォールドをシリンダヘッドの出口に連結している短いパイプを通過する。
−4つのシリンダからの流れ(DS1からDS4)が出会う排気マニフォールド(CE)内での混合相。ここで、各シリンダからの排気の一吹きが、マニフォールドの型(対称または非対称)と、流れの重なる割合を定めるEEO(Early Exhaust Opening)と、LEC(Late Exhaust Closing)とによって混合される。
−吸気部の上流に配置されている過給器に必要なトルクを供給するタービンを通過する。流量に対するタービンの動作の影響はよくわかっていないが、さまざまなシリンダからの一吹きの排気をより多く混合することになると考えることができる。
−UEGO型のプローブによる測定。
Mair=x;Mcarb=y;MgazB=0
理論空燃比を達成するには燃料の14.7倍の空気が必要なことがわかっていると、燃焼前後の各種の質量を示した以下の表を作成することができる。
−容積部分と管とによって表されている複数の排気管
−熱交換を備えた排気マニフォールド
−タービンとバイパス弁
−タービンの合流部の容積部分と弁の流量
−タービンと測定プローブとの間の管
−排気経路の容積部分と管
管、絞り、および容積部分をモデル化する基本ブロックは、AMESimの取扱説明書、「Thermal Pneumatic Library」に記載されている。絞りを通過する流量、質量およびエネルギーの保存を計算するために、標準の式が使用される。さらに、モデルは気体の慣性も考慮しており、これは気体の組成の動力学の検討には重要である。
本実施形態では、温度の変動は1つのエンジンサイクルを通して低く、流量の変動への温度の影響は限られていると考えられる。圧力の変動は、流量に直接関連しているため、実際にはプロセスにおいて不可欠である。したがって、シリンダ、マニフォールド、およびタービンの各要素に対して一定の温度が設定されている。そのため、熱交換もモデル化されていない。この簡略化のための仮定による大きな影響はない。
排気マニフォールドは、質量が保存される容積部分に従ってモデル化されている。温度は、実質的に一定であると仮定して、エンジン回転数と負荷との関数としてグラフから求められている。
Ne:エンジン回転数
α:クランク軸の角度
MT:排気マニフォールド内の総質量
di:シリンダiから流出する質量流量
dT:タービンを通過する全流量
である。
Ne:エンジン回転数
α:クランク軸の角度
Mair:排気マニフォールド内の新気の質量
λi:各シリンダ内の空燃比
di:シリンダiから流出する質量流量
dair:タービンを通過する空気の流量
である。
シリンダの出口での気体の流量は、排気弁の出口での流量を示す物理モデルによってモデル化することができる。3つの変数が、弁を通過する気体のこの排出モデルに使用される。
−クランク軸の角度(α)
−シリンダを通じて吸い込まれる流れdasp(上流のエンジン制御によって推定される変数)
−1サイクルにわたってプローブによって測定される空燃比の平均値
−クランク角度の関数として流量のピークによって表されているシリンダ/排気の圧力の均衡
−振幅がより小さい流量の第2のピークで表される、排気弁の流れの断面に依存する流量
このテンプレート
ここで、
−di(α)はシリンダiの出口で流出する気体の流量
−d(α)はテンプレート、つまりシリンダの出口での流量の推定値
である。
タービンは、流量制限部を通過する流れによってモデル化されている。タービン内の流量は、タービンの回転数と、タービンの上流と下流の圧力の比との関数としてのマッピング(チャート)によって一般的に求められる。
−排気ガスの総質量(MT)
−空気の質量(Mair)
−エンジン回転数(Ne)
−(ターボ過給器の)タービンの回転数
である。
関数pは、タービンの回転数の関数として表され、かつ大気状態での排気マニフォールド内の質量(M0)に対する排気マニフォールド内の排気ガスの総質量(MT)の比として表される、ルートの形態の関数である。したがって、マッピングによって、MT/M0の比と、(ターボ過給器)のタービンの回転数との関数として、p(MT)が得られる。このマッピングで使用される式は次のとおりである。
−fは多項式関数
−gは定数
である。
Ne:エンジンの回転数
α:クランク軸の角度
di:シリンダiから流出する質量流量
dT:タービンを通過する全流量
dair:タービンを通過する空気の流量
λi:各シリンダ内の空燃比
であり、システムの未知数は、
MT:排気マニフォールド内の総質量
Mair:排気マニフォールド内の新気の質量
である。
排気マニフォールドのリアルタイム物理モデル(RTM)を完成するために、シリンダの出口での空燃比は、動作点で一定であると仮定し、その結果以下の式が得られる。
上記の式では、検出器で測定される空燃比は、複数のシリンダ内の空燃比、シリンダの出口での空気の流れ、および気体の全体の流れから計算される。この構成は、モデルへの入力を推定しなければならないため、カルマンフィルタにおいて使用することが困難である。そのため、このモデルは入力MTおよびλとを加えることによって完成されている(Mohinder S. Grewal:“Kalman Filtering Theory and Practice”,Prentice Hall,1993年)。
最後に、式(3),(5)および(6)から、リアルタイム物理モデルRTMは行列形式で以下のように表すことができる。
管内および様々な容積部分内における気体の移動による遅延時間と、測定プローブの「アイドル時間」とは、前述の物理モデル(式(7)のシステム)では考慮されていない。しかしながら、管内の移動が無視されるので、物理モデルはこれらの遅延時間に関して線形に構成されている。そのため、これらの遅延時間は、排気プロセス全体について1つの遅延時間にまとめることが可能であり、以下に説明するように遅延時間の影響を後で考慮することができるため、物理モデルの逆数を取ることができる。
上記の物理モデル(7)は、タービンの下流の空燃比(マニフォールド内の空燃比と同一であると考えられる)は、排気マニフォールドの入口での気体流の組成の関数として表されることを示している。
−プローブで測定される空燃比:λ
である。
−エンジン回転数:Ne
−クランク軸の角度:α
−(過給器の)タービンの回転数
−シリンダに吸入される流れ
である。
−シリンダiからの質量流量:di
−タービンを通過する全流量:dT
−タービンを通過する空気の流量:dair
−排気マニフォールド内の総質量:MT
である。
−4つのシリンダの各々における空燃比:λi
−排気マニフォールド内の新気の質量:Mair
である。
−Greg WelchおよびGary Bishop:“An Introduction to Kalman Filter”,University of North Carolina−Chapel Hill TR95−041,2003年5月23日
拡張カルマンフィルタの構造を以下に述べる。測定プロセスが非線形である場合に、拡張カルマンフィルタ(EKF)によってプロセスの状態ベクトルを推定することができる。
ここで、確率変数wkおよびvkは、それぞれモデルノイズと測定ノイズとを表している。
予測段階:
−Aは、xについてのfの偏微分のヤコビ行列
既知の個別の空燃比から、基準モデルAMESimによってプローブでの空燃比(λ)を推定した。この空燃比の値は、推定器の入力で使用される。プローブの動力学は考慮していない。噴射を不均衡にして、タービンの下流で測定される空燃比(λ)からシリンダ毎の空燃比の推定値(λi)を観測する。
上述のように構築された推定器では、シリンダの排気部とプローブで取得された信号との間の遅延時間を考慮する推定方法を行うことができない。実際には、遅延時間には、管内および容積部分を通過する移動時間、測定プローブのアイドル時間などのいくつかの原因がある。
−Neおよびαは、式(7)で表されるリアルタイムモデルRTMの入力データ
−MMBOは、開ループ質量モデル(モデルRTM)
−Dは、モデルRTM(MMBO)の複数の出力変数に適用される遅延時間であり、この遅延時間は式(10)から得られる
−SRは、式(4)によって推定器で使用される空燃比をタービンの下流で測定するプローブ
−ERFKは、カルマンフィルタに基づいた、式(9)で示される空燃比の推定器
−λiは、推定器ERFKによって推定されるシリンダiの空燃比
である。
図4Aから図4Fは、上述の推定器による、高負荷での2000rpm,9バール(0.9Mpa)(図4Aから図4C)、および低負荷での2500rpm,3バール(0.1Mpa)(図4Dから図4F)の場合における空燃比の推定値をシリンダ毎に示している。これらの図では、時間(T)の関数としての基準空燃比
T ターボ過給器のタービン
SR プローブ
DS1〜DS4 シリンダの出口での流量
λ1〜λ4 シリンダ内の空燃比
Ne エンジンの回転数
α クランク軸の角度
MNBO 開ループ質量モデル
D 遅れ時間
ERFK 空燃比の推定器
Claims (8)
- マニフォールドに連結されている少なくとも複数のシリンダと、前記マニフォールドの下流で空燃比(λ)を測定する検出器とを含む排気回路を有する内燃エンジンの各シリンダ内の空燃比を推定する方法において、
モデルの少なくとも1つの変数から、前記検出器によって測定される前記空燃比(λ)の推定値を定めるステップと、
前記測定される空燃比の推定値を考慮に入れて、前記検出器の伝達関数のモデル化を行うステップと、
前記伝達関数の前記モデル化を考慮に入れて、複数の前記シリンダの各々からの気体の排出と、前記排気回路内における前記検出器までの気体の移動とをリアルタイムで表す物理モデルを定めるステップと、
前記モデルを拡張カルマン型の非線形推定器に結合するステップと、
前記拡張カルマン型の非線型推定器によって前記各シリンダ内の前記空燃比の値をリアルタイムで推定するステップと、
を有することを特徴とする、内燃エンジンの各シリンダ内の空燃比を推定する方法。 - 前記伝達関数のモデル化を1次フィルタによって行う、請求項1に記載の方法。
- 気体の移動時間と前記検出器の応答時間とによる遅延時間を、決められたシリンダ内で試験的な外乱を発生させることと、その影響を前記検出器の位置で測定することとによって求める、請求項1または2に記載の方法。
- 前記物理モデルは、前記排気マニフォールド内の気体の総質量(MT)と、前記排気マニフォールド内の新気の質量(Mair)と、前記検出器によって測定される前記空燃比(λ)と、前記各シリンダ内の空燃比(λi)との、少なくとも4種類の変数を有している、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記物理モデルは、前記排気マニフォールド内の気体の総質量(MT)と、前記シリンダから流出する質量流量(di)との、少なくとも2種類の出力データを有している、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記測定される前記空燃比(λ)を、前記排気マニフォールド内の気体の総質量(MT)と前記排気マニフォールド内の新気の質量(Mair)との関数として推定する、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記各シリンダ内の前記空燃比の前記推定値は、前記排気マニフォールド内の気体の総質量(MT)の推定値、前記排気マニフォールド内の新気の質量(Mair)の推定値、および前記各シリンダ内の前記空燃比(λi)の推定値の、リアルタイムの修正値を含んでいる、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- すべてのシリンダ内の空燃比を調節するために各シリンダ内に噴射される燃料質量を変更するエンジン制御への、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法の適用。
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