JP2007040929A - 内燃機関の適合システム - Google Patents

Abstract

【課題】 精度の高い最適制御パラメータのマップを作成するために、適合試験を行うべきではない制御パラメータの領域においても内燃機関の特性の測定値を得ることにある。
【解決手段】 内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータに対する前記内燃機関の特性の値を所定数の制御パラメータ値に関して測定し、該測定された特性値に基づいて前記制御パラメータとして最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する適合システムにおいて、制御パラメータを特定の制御パラメータ値としたときの定常状態における前記特性値が許可することができない値を超えると予想されたときには該特定の制御パラメータ値における定常状態での該特性値の予測値を該特性値の測定値とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の適合システムに関する。

内燃機関の燃焼室内の燃料に点火栓によって点火する時期（以下「点火時期」という）が異なると、燃焼室内に供給された燃料の量（以下「燃料供給量」という）が同じであっても、内燃機関から出力されるトルク（以下「出力トルク」ともいう）も異なる。したがって、内燃機関で消費される燃料の量をできるだけ少なくするためには、出力トルクができるだけ大きくなるように点火時期を制御することが好ましい。ここで、点火時期に対する出力トルクは、機関回転数や機関負荷に応じても異なる。そこで、内燃機関の分野では、内燃機関で消費される燃料の量をできるだけ少なくするために、出力トルクができるだけ大きくなるように機関回転数と機関負荷とに応じて点火時期を制御することが行われている。

ところで、点火時期が異なると、内燃機関から排出される排気ガスの温度（以下「排気温度」という）も異なる。ここで、排気温度が高すぎると、内燃機関に接続されている排気管や該排気管内に配置されている排気浄化触媒などが排気ガスの熱によって溶損してしまう可能性がある。したがって、出力トルクができるだけ大きくなるように点火時期を制御する場合において、こうした排気管や排気浄化触媒の溶損を回避するためには、排気温度が排気管や排気浄化触媒の溶損を引き起こしてしまう温度（以下「溶損温度」という）を超えないように点火時期を制御する必要がある。

すなわち、排気管や排気浄化触媒の溶損を回避しつつ出力トルクができるだけ大きくなるように点火時期を制御する場合には、排気温度が溶損温度を超えない範囲で出力トルクが最も大きくなるように機関回転数と機関負荷とに応じて点火時期を制御することになる。このために、内燃機関の分野では、排気温度が溶損温度を超えない範囲で出力トルクを最も大きくすることができる点火時期（以下「最適点火時期」という）を機関回転数と機関負荷毎に予め実験によって求め、機関回転数と機関負荷とを関数とした最適点火時期のマップを作成し、このマップを内燃機関の電子制御装置（ＥＣＵ）に記憶させ、内燃機関の運転中、このマップから機関回転数と機関負荷とに応じた最適点火時期を読み出し、この最適点火時期に点火時期を制御することが行われている。

そして、最適点火時期を機関回転数と機関負荷毎に求める試験（以下「適合試験」という）の一例が特許文献１に開示されている。

特開２００２−２０６４５６号公報 特開２００４−２６３６８０号公報 特開２００４−６８７２９号公報

ところで、機関回転数と機関負荷とを関数とした最適点火時期のマップを作成するために適合試験を行う場合、機関回転数と機関負荷との組合せ毎に実験計画法などによって選択された所定数の点火時期それぞれにおける出力トルクと排気温度とを測定し、これら測定値に基づいて、排気温度が溶損温度を超えない範囲で出力トルクを最も大きくする点火時期を最適点火時期として採用することになる。

ところで、より精度の高い最適点火時期のマップを作成するためには、当然のことながら、実験計画法などによって選択された全ての点火時期について、出力トルクと排気温度とを測定しなければならない。ところが、点火時期によっては、排気温度が溶損温度を超えてしまうこともありえる。このことは、適合試験中であったとしても、例えば、排気温度を検出するための温度センサなどの試験器具の溶損を引き起こしかねないことから好ましくない。しかしながら、このことを回避するために、排気温度が溶損温度を超えてしまうような点火時期について出力トルクや排気温度を測定しなければ、精度の高い最適点火時期のマップを作成することができない。

このことは、広くは、出力トルクや排気温度のような内燃機関の特性に影響を与える点火時期のような制御パラメータとして最適なものを、機関回転数や機関負荷のような状態パラメータ毎に求める場合において、適合試験を行うべきではない制御パラメータの領域が存在する場合に当てはまる。こうした事情に鑑み、本発明の目的は、精度の高い最適制御パラメータのマップを作成するために、適合試験を行うべきではない制御パラメータの領域においても内燃機関の特性の測定値を得ることにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータに対する前記内燃機関の特性の値を所定数の制御パラメータ値に関して測定し、該測定された特性値に基づいて前記制御パラメータとして最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する適合システムにおいて、制御パラメータを特定の制御パラメータ値としたときの定常状態における前記特性値が許可することができない値を超えると予想されたときには該特定の制御パラメータ値における定常状態での該特性値の予測値を該特性値の測定値とする。

２番目の発明では、１番目の発明において、上記内燃機関の特性が内燃機関から排出される排気ガスの温度、または、該排気ガス中の成分の量あるいは濃度、または、内燃機関に接続された吸気管内の圧力、または、ノッキングの発生頻度である。

上記課題を解決するために、３番目の発明では、内燃機関の少なくとも２つの特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータに対する前記内燃機関の特性の値を所定数の制御パラメータ値に関して測定し、該測定された特性値に基づいて前記制御パラメータとして最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する適合システムにおいて、制御パラメータを特定の制御パラメータ値としたときの定常状態における上記内燃機関の少なくとも１つの特性値が許可することができない値を超えると予想されたときには該特定の制御パラメータ値における定常状態での該少なくとも１つの特性値の予測値を該少なくとも１つの特性値の測定値とする。

４番目の発明では、３番目の発明において、上記内燃機関の少なくとも２つの特性のうちの１つが内燃機関から排出される排気ガスの温度、または、該排気ガス中の成分の量あるいは濃度、または、内燃機関に接続された吸気管内の圧力、または、ノッキングの発生頻度である。

５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、上記特定の制御パラメータ値における定常状態での内燃機関の特性値の予測値を一次遅れ関数でもって予測する。

６番目の発明では、１〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、制御パラメータを上記特定の制御パラメータ値としたときに内燃機関の特性値が上記許可することができない値に達したときに該特定の制御パラメータ値における定常状態での内燃機関の特性値が上記許可することができない値を超えると予想する。

７番目の発明では、１〜６番目の発明のいずれか１つにおいて、上記制御パラメータが点火時期、または、燃焼室内の混合気の空燃比、または、吸気弁のリフト量あるいはリフトタイミング、または、排気弁のリフト量あるいはリフトタイミングである。

８番目の発明では、１〜７番目の発明のいずれか１つにおいて、上記所定数の制御パラメータ値が内燃機関の状態パラメータ毎に設定される。
９番目の発明では、８番目の発明において、上記内燃機関の状態パラメータが機関回転数と機関負荷との組合せである。

本発明によれば、内燃機関の特性値が許可することができない値を超える制御パラメータの領域（適合試験を行うべきではない制御パラメータの領域）が存在する場合においても、該適合試験を行うべきではない制御パラメータの領域における内燃機関の特性値を得ることができ、その結果、より精度の高い最適制御パラメータを求める（すなわち、最適制御パラメータのマップを作成する）ことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下で説明する適合試験では、制御パラメータとして点火栓による燃料への点火の時期（以下単に「点火時期」という）を採用し、測定する内燃機関の特性として内燃機関から出力されるトルク（出力トルク）と内燃機関から排出される排気ガスの温度（排気温度）とを採用し、状態パラメータとして機関回転数と機関負荷との組合せを採用している。

本実施形態の適合試験では、以下のようにして、最適点火時期を求める。すなわち、まず、所定の機関回転数と機関負荷との組合せ毎に実験計画法などによって所定数の点火時期を選択する。そして、機関回転数と機関負荷との各組合せにおいて、点火時期毎に出力トルクと排気温度とを測定する。そして、基本的には、こうして得られた出力トルクと排気温度との測定値に基づいて、排気温度が排気管や排気浄化触媒の溶損を引き起こすことのない温度（この温度は、上述した溶損温度であってもよいが、該溶損温度よりも低い温度であることが好ましく、以下これを「許容温度」という）よりも低い範囲で出力トルクが最も高くなる点火時期を求め、これを最適点火時期として採用する。そして、採用した最適点火時期に基づいて最適点火時期のマップを機関回転数と機関負荷との組合せ毎に作成する。

ところで、点火時期によっては排気温度が許容温度を超えてしまうことがあり、このときに出力トルクや排気温度を測定すると、排気ガスの熱によって適合試験装置などの溶損が引き起こされる可能性がある。そこで、本実施形態では、排気温度が許容温度を超えてしまうと予想されたときには、以下のようにして、出力トルクと排気温度との測定値を得る。

すなわち、図１（Ａ）に示したように、時刻ｔ_０のところで、点火時期を或る特定の点火時期ＳＡ１から、それよりも遅い或る特定の点火時期ＳＡ２に変更する場合を例に説明すると、時刻ｔ_０のところで点火時期を点火時期ＳＡ１から点火時期ＳＡ２に変更すると、排気温度は、図１（Ｂ）に示したように、或る温度Ｔｇ１から上昇するが、図１に示した例では、そのまま排気温度の上昇が止まるまで（すなわち、排気温度が定常状態となるまで）点火時期を点火時期ＳＡ２に維持していると、排気温度は、許容温度Ｔｇｔｈよりも高い或る温度Ｔｇ２になってしまう。

そこで、本実施形態では、排気温度が許容温度Ｔｇｔｈに達したことをもって排気温度が許容温度を超えてしまうと予想し、排気温度が許容温度Ｔｇｔｈに達した時点（図１の時刻ｔ_１）で、点火時期を進角する（図１に示した例では、点火時期ＳＡ１に戻す）。これにより、排気温度が許容温度を超えてしまうことが回避される。

そして、本実施形態では、点火時期が点火時期ＳＡ１から点火時期ＳＡ２とされてからの経過時間と、点火時期が点火時期ＳＡ１から点火時期ＳＡ２とされてから点火時期ＳＡ１に戻されるまでに測定された排気温度の測定値とから、排気温度が定常状態で最終的に達するであろう温度（図１に示されている温度Ｔｇ２）を予測し、この予測値を排気温度の測定値として採用する。これによれば、排気温度が許容温度を超えてしまう場合における点火時期についても、排気温度の測定値を得られることになり、精度の高い最適点火時期のマップを作成することができる。

なお、排気温度は一次遅れでもって上昇することが多く、この場合には、例えば、次式１の一次遅れ関数を用いて、排気温度の予測値を算出することができる。
Ｔｇ_ｉ＝ΔＴｇ×（１−ｅ^-t/T）＋Ｔｇ_０ …（１）
上式１において、ｔは、排気温度の上昇が開始した時刻を基準とした時刻であり、Ｔは、時定数であり、Ｔｇ_ｉは、時刻ｔにおける排気温度であり、ΔＴｇは、排気温度の上昇が開始したときの排気温度と排気温度の上昇が停止したとき（排気温度が収束したとき）の排気温度との差であり、Ｔｇ_０は、排気温度の上昇が開始した時刻における排気温度である。この式１では、ΔＴｇとＴが未知数であるので、排気温度の上昇が開始してから任意の２つの時刻における排気温度の測定値を得れば、これらΔＴｇとＴとが求まり、これにより、上式１から、排気温度の上昇が停止したとき（排気温度が収束したとき）の排気温度を求めることができる。

ところで、機関回転数と機関負荷との組合せ毎に得られる出力トルクや排気温度の測定値の数は、実験計画法などによって予め選択された点火時期の数に等しい。云い換えれば、出力トルクや排気温度の測定は、限られた数しか行われない。したがって、これら限られた数の測定値から最適点火時期を求めるに当たっては、得られた測定値に基づいて統計的手法（例えば、最小二乗法などの最尤推定法）によって点火時期と出力トルクとの関係を示す近似式（いわゆるモデル式）や点火時期と排気温度との関係を示す近似式（いわゆるモデル式）を求め、これら近似式から最適点火時期を求めることになる。

ここで、排気温度が許容温度よりも高くなる点火時期での適合試験を行わず、しかも、適合試験を行わない点火時期が近似式を求める際のいわゆる外挿領域にある点火時期であると、得られる近似式の精度が低く、結果として、最終的に得られる最適点火時期のマップの精度が低くなってしまう。そして、このことは、近似式として、より高次の関数を採用した場合に、より顕著である。

すなわち、図２に示したように、点火時期ＳＡに対する出力トルクＴに関する３つの測定値Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に基づいて一次の近似式を作成した場合に、作成される近似式の中で最も大きく異なる２つは、例えば、一点鎖線α１、α２で示したものになる。そして、これら近似式α１、α２の外挿領域での誤差は、図２においてＸ１、Ｘ２で示された誤差となる。一方、測定値Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に基づいて一次よりも高次の近似式を作成した場合には、作成される近似式の中で最も大きく異なる２つは、二点鎖線β１、β２で示したものになる。そして、これら近似式β１、β２の外挿領域での誤差は、図２においてＹ１、Ｙ２で示された誤差となる。

これら外挿領域における近似式α１、α２の誤差Ｘ１、Ｘ２と近似式β１、β２の誤差Ｙ１、Ｙ２とを比べれば、高次の近似式における誤差の方が一次の近似式における誤差よりも大きくなることが分かる。

ところが、上述した実施形態では、排気温度が許容温度よりも高くなる点火時期についても出力トルクや排気温度の測定値が得られることから、最終的に得られる最適点火時期のマップの精度が高いと言える。

なお、上述では、適合試験を行うべきではないか否かを決定する内燃機関の特性として、排気温度を考慮した場合を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、同様に、適合試験を行うべきではないか否かを決定する内燃機関の特性として考慮されるものとしては、例えば、排気ガス中の特定成分（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）や煤など）の量あるいは濃度や内燃機関に接続された吸気管内の圧力やノッキングの発生頻度がある。ここで、ノッキングの発生頻度についてもう少し説明すると、ノッキングの捉え方として、一定時間内に発生するノッキングの数という捉え方がある。そして、ノッキングの程度が比較的小さい場合、一定時間内に発生するノッキングの数は、ノッキングが発生し始まってから、一時遅れでもって増加する。そして、ノッキングの発生頻度が非常に多くなると、これも内燃機関に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、適合試験を行うべきではないか否かを決定する内燃機関の特性として考慮されるものとして、ノッキングの発生頻度を挙げることができるのである。

また、上述では、内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータとして、点火時期を採用した適合試験を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、内燃機関の制御パラメータとして、例えば、燃焼室内の混合気の空燃比を採用した適合試験や、内燃機関が吸気弁のリフト量あるいはリフトタイミングを変更することができるものである場合には、吸気弁のリフト量あるいはリフトタイミング、内燃機関が排気弁のリフト量あるいはリフトタイミングを変更することができるものである場合には、排気弁のリフト量あるいはリフトタイミングを採用した適合試験にも本発明は適用可能である。

また、上述では、内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータとして、点火時期という１種類の制御パラメータを採用した適合試験を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、複数種類の制御パラメータを採用した適合試験にも本発明は適用可能である。

最後に、内燃機関の特性値として、出力トルクを採用し、内燃機関の制御パラメータとして、点火時期と燃焼室内の混合気の空燃比（以下単に「空燃比」という）とを採用して適合試験を行った場合に、特性値の測定値に基づいて特性値と制御パラメータとの関係を示す近似式（モデル式）を最小二乗法を利用して作成する具体的な手法の１つについて説明する。

出力トルクを「Ｔ」とし、点火時期を「ＳＡ」とし、空燃比を「ＡＦ」としたとき、出力トルクと点火時期および空燃比との関係を示す近似式は、次式２になる。
Ｔ＝ａ₁＋ａ₂×ＳＡ＋ａ₃×ＡＦ＋ａ₄×ＳＡ×ＡＦ＋ａ₅×ＳＡ²＋ａ₆×ＡＦ² …（２）

そして、機関回転数と機関負荷との組合せ毎に係数ａ_１〜ａ_６を求めて上式１に当てはめれば、機関回転数と機関負荷との組合せ毎に点火時期と空燃比とを関数とした出力トルクの近似式（モデル式）が得られる。こうして得られた近似式から、最適点火時期と最適空燃比とが求められる。

（Ａ）は点火時期を示し、（Ｂ）は排気温度を示している。 適合試験によって得られる測定値に基づいて求められる近似式（モデル式）を説明するための図である。

符号の説明

ＳＡ 点火時期
Ｌ 機関負荷
Ｔ 出力トルク
Ｔｇ 排気温度

Claims (9)

1. 内燃機関の特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータに対する前記内燃機関の特性の値を所定数の制御パラメータ値に関して測定し、該測定された特性値に基づいて前記制御パラメータとして最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する適合システムにおいて、制御パラメータを特定の制御パラメータ値としたときの定常状態における前記特性値が許可することができない値を超えると予想されたときには該特定の制御パラメータ値における定常状態での該特性値の予測値を該特性値の測定値とすることを特徴とする適合システム。
2. 上記内燃機関の特性が内燃機関から排出される排気ガスの温度、または、該排気ガス中の成分の量あるいは濃度、または、内燃機関に接続された吸気管内の圧力、または、ノッキングの発生頻度であることを特徴とする請求項１に記載の適合システム。
3. 内燃機関の少なくとも２つの特性に影響を与える内燃機関の制御パラメータに対する前記内燃機関の特性の値を所定数の制御パラメータ値に関して測定し、該測定された特性値に基づいて前記制御パラメータとして最適な制御パラメータを求める適合試験を実行する適合システムにおいて、制御パラメータを特定の制御パラメータ値としたときの定常状態における上記内燃機関の少なくとも１つの特性値が許可することができない値を超えると予想されたときには該特定の制御パラメータ値における定常状態での該少なくとも１つの特性値の予測値を該少なくとも１つの特性値の測定値とすることを特徴とする適合システム。
4. 上記内燃機関の少なくとも２つの特性のうちの１つが内燃機関から排出される排気ガスの温度、または、該排気ガス中の成分の量あるいは濃度、または、内燃機関に接続された吸気管内の圧力、または、ノッキングの発生頻度であることを特徴とする請求項３に記載の適合システム。
5. 上記特定の制御パラメータ値における定常状態での内燃機関の特性値の予測値を一次遅れ関数でもって予測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の適合システム。
6. 制御パラメータを上記特定の制御パラメータ値としたときに内燃機関の特性値が上記許可することができない値に達したときに該特定の制御パラメータ値における定常状態での内燃機関の特性値が上記許可することができない値を超えると予想することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の適合システム。
7. 上記制御パラメータが点火時期、または、燃焼室内の混合気の空燃比、または、吸気弁のリフト量あるいはリフトタイミング、または、排気弁のリフト量あるいはリフトタイミングであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の適合システム。
8. 上記所定数の制御パラメータ値が内燃機関の状態パラメータ毎に設定されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の適合システム。
9. 上記内燃機関の状態パラメータが機関回転数と機関負荷との組合せであることを特徴とする請求項８に記載の適合システム。

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