JP5560275B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は内燃機関の吸気制御装置に関し、特にニューラルネットワークを用いて吸気制御弁の開度を制御するものに関する。
特許文献1には、内燃機関の運転状態を示すパラメータ、例えば機関回転数、吸入空気量、制御弁開度などを入力パラメータするニューラルネットワークを用いて、気筒流入空気量、燃料噴射量、機関出力トルク、空燃比などを算出する手法が示されている。
特開平11−351045号公報
特許文献1に示された手法を用いて、例えば気筒流入空気量を算出し、算出した気筒流入空気量が目標値と一致するように、吸入空気量を制御する吸気制御弁の開度を算出する吸入空気量制御を行うことができる。
しかしながら、ニューラルネットワークを実現するための演算量は、通常の制御演算の演算量に比べて大きいため、演算装置(CPU)の負荷が増加し、演算能力の低い装置では、リアルタイムでの制御演算が困難となる、若しくは算出結果の精度が低下するといった課題があり、演算能力の高い演算装置を採用すると、コストが増加するという課題がある。
本発明はこの点に着目してなされたものであり、必要な空気量を機関に供給するための吸気制御弁の制御量演算を、ニューラルネットワークを適切に使用して実行し、必要な算出精度を維持しつつ、演算装置の負荷を軽減することができる内燃機関の吸気制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関の目標吸入空気量(GAIRCMD)を算出する目標吸入空気量算出手段を備え、前記目標吸入空気量(GAIRCMD)に応じて前記機関の吸気制御弁(3)の開度(TH)を制御する、内燃機関の吸気制御装置において、前記機関の運転状態を示す機関運転パラメータ(PB,PI,NE)及び前記目標吸入空気量(GAIRCMD)が入力され、前記吸気制御弁の制御量(THCMD)を出力するニューラルネットワークを用いて、前記吸気制御弁の制御量(THCMD)を算出する制御量算出手段と、前記目標吸入空気量(GAIRCMD)が判定吸気量(GAIRTH)以上であるときは、前記制御量算出手段による前記制御量(THCMD)の算出を停止し、前記制御量(THCMD)を所定量(THMAX)に設定する算出切換手段とを備え、前記判定吸気量(GAIRTH)は、前記機関の最大吸入空気量(GAIRMAX)より小さくかつ前記最大吸入空気量(GAIRMAX)に近い値に設定され、前記所定量(THMAX)は、前記機関の最大吸入空気量(GAIRMAX)を実現する前記吸気制御弁の制御量の内、最小の制御量(THSTB)に設定されることを特徴とする。
この構成によれば、機関の運転状態を示す機関運転パラメータ及び目標吸入空気量が入力され、吸気制御弁の制御量を出力するニューラルネットワークを用いて、吸気制御弁の制御量が算出され、目標吸入空気量が判定吸気量以上であるときは、ニューラルネットワークを用いた制御量の算出が停止され、吸気制御弁の制御量が所定量に設定される。吸入空気量が大きい状態では、吸気制御弁の開度を変化させても実際の吸入空気量が変化しなくなるので、目標吸入空気量が判定吸気量以上であるときに制御量が所定量に設定することにより、吸気制御弁開度の必要な算出精度を維持しつつ、演算負荷を軽減することができる。また、吸気制御弁開度を変化させても吸入空気量が変化しなくなる吸入空気量は、機関運転状態によって決まる最大吸入空気量に依存するため、判定吸気量を最大吸入空気量より小さくかつ最大吸入空気量に近い値に設定することにより、制御の切換を適切に行うことができる。さらに制御量の所定量は、機関の最大吸入空気量を実現する吸気制御弁制御量の内、最小の制御量に設定されるので、目標吸入空気量が判定吸気量以上の値から判定吸気量より小さい値に変化したときに、吸気制御弁の閉弁方向への駆動に伴う応答遅れに起因するむだ時間を最小限に抑制し、吸入空気量の減量を迅速に行って排気特性や機関運転性を向上させることができる。
本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 自己組織化マップを説明するための図である。 吸入空気量(GAIR)とスロットル弁開度(TH)との関係を示す図である。 スロットル弁の目標開度(THCMD)を算出する処理のフローチャートである。 図4に示す処理の変形例を示すフローチャートである。 図5の処理で参照されるテーブルを示す図である。
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる内燃機関、及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関(以下「エンジン」という)1は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁9が設けられている。燃料噴射弁9は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)20に電気的に接続されており、燃料噴射弁9の開弁時期及び開弁時間は、すなわち燃料噴射時期及び燃料噴射量は、ECU20により制御される。
エンジン1は、吸気管2,排気管4、及びターボチャージャ8を備えている。ターボチャージャ8は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール10を有するタービン11と、タービンホイール10とシャフト14を介して連結されたコンプレッサホイール15を有するコンプレッサ16とを備えている。コンプレッサホイール15は、エンジン1に吸入される空気の加圧(圧縮)を行う。
タービン11は、タービンホイール10に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される複数の可変ベーン12(2個のみ図示)及び該可変ベーンを開閉駆動するアクチュエータ(図示せず)を有しており、可変ベーン12の開度(以下「ベーン開度」という)θvgtを変化させることにより、タービンホイール10に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させ、タービンホイール10の回転速度を変更できるように構成されている。可変ベーン12を駆動するアクチュエータは、ECU20に接続されており、ベーン開度θvgtは、ECU20により制御される。より具体的には、ECU20は、デューティ比可変の制御信号をアクチュエータに供給し、これによってベーン開度θvgtを制御する。なお、可変ベーンを有するターボチャージャの構成は広く知られており、例えば特開平1−208501号公報に示されている。
吸気管2のコンプレッサ16の下流側にはインタークーラ18が設けられ、さらにインタークーラ18の下流側には、スロットル弁3が設けられている。スロットル弁3は、アクチュエータ19により開閉駆動可能に構成されており、アクチュエータ19はECU20に接続されている。ECU20は、アクチュエータ19を介して、スロットル弁3の開度制御を行う。
排気管4と吸気管2との間には、排気ガスを吸気管2に還流する排気還流通路5が設けられている。排気還流通路5には、排気還流量(EGR量)を制御するための排気還流制御弁(以下[EGR弁」という)6が設けられている。EGR弁6は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はECU20により制御される。EGR弁6には、その弁開度(弁リフト量)LACTを検出するリフトセンサ7が設けられており、その検出信号はECU20に供給される。排気還流通路5及びEGR弁6より、排気還流装置が構成される。
吸気管2には、吸入空気流量GAを検出する吸入空気流量センサ21、コンプレッサ16の下流側の吸気圧(過給圧)PBを検出する過給圧センサ22、吸気温TIを検出する吸気温センサ23、及び吸気圧PIを検出する吸気圧センサ24が設けられている。これらのセンサ21〜24は、ECU20と接続されており、センサ21〜25の検出信号は、ECU20に供給される。
排気管4の、タービン11の下流側には、排気中に含まれるNOxを浄化するNOx浄化装置であるリーンNOx触媒31と、排気中に含まれる粒子状物質(主としてすすからなる)を捕集する粒子状物質フィルタ32とが設けられている。リーンNOx触媒31は、排気中の酸素濃度が比較的高い状態、すなわち還元成分(HC、CO)の濃度が比較的低い状態でNOxが捕捉され、排気中の還元成分濃度が高い状態で捕捉したNOxが還元成分により還元されて放出されるように構成されている。
エンジン1により駆動される車両のアクセルペダル(図示せず)の踏み込み量(以下「アクセルペダル操作量」という)APを検出するアクセルセンサ27、、及びエンジン回転数(回転速度)NEを検出するエンジン回転数センサ28がECU20に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ECU20に供給される。エンジン回転数センサ28は、所定クランク角度(例えば6度)毎に発生するクランク角度パルス及びエンジン1の各気筒のピストンが上死点に位置するタイミングに同期して発生するTDCパルスをECU20に供給する。
ECU20は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット(以下「CPU」という)、CPUで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、タービン11の可変ベーン12を駆動するアクチュエータ、燃料噴射弁9、EGR弁6、スロットル弁3を駆動するアクチュエータ19などに駆動信号を供給する出力回路から構成される。
ECU20は、エンジン運転状態(主としてエンジン回転数NE及びエンジン負荷目標値Pmecmdに応じて燃料噴射弁9による燃料噴射制御、EGR弁6による排気還流制御、可変ベーン12による過給圧制御などを行う。エンジン負荷目標値Pmecmdは、アクセルペダル操作量APに応じて算出され、アクセルペダル操作量APが増加するほど増加するように設定される。
ECU20は、自己組織化マップアルゴリズムが適用されるニューラルネットワーク(以下単に「自己組織化マップ」という)を用いて、目標吸入空気量GAIRCMD[g/sec]に応じた目標スロットル弁開度THCMDの算出を行い、検出されるスロットル弁開度THが目標スロットル弁開度THCMDと一致するようにアクチュエータ19を駆動する。
以下自己組織化マップについて詳細に説明する。
N個の要素からなる入力データベクトルxjを下記式(1)で定義し、自己組織化マップを構成する各ニューロンの重みベクトルwiを下記式(2)で定義する。ニューロンの数はM個とする。すなわち、パラメータiは、1からMまでの値をとる。重みベクトルwiの初期値は乱数を用いて与えられる。
xj=(xj1,xj2,…,xjN) (1)
wi=(wi1,wi2,…,wiN) (2)
M個のニューロンについて、入力データベクトルxjと対応するニューロンの重みベクトルwiとのユークリッド距離DWX=|wi−xj|を算出し、距離DWXが最小となるニューロンを勝者ニューロンとする。ユークリッド距離DWXは、下記式(3)により算出される。
Figure 0005560275
次に勝者ニューロン及びその近傍のニューロン集合Ncに含まれるニューロンの重みベクトルwiを下記式(4)により、更新する。式(4)のα(t)は、学習係数であり、tは学習回数である。学習係数α(t)は、例えば初期値が「0.8」に設定され、学習回数tの増加とともに減少するように設定される。
wi(t+1)=wi(t)+α(t)(xj−wi(t)) (4)
ニューロン集合Ncに含まれないニューロンの重みベクトルwiは下記式(5)で示すように前の値を維持する。
wi(t+1)=wi(t) (5)
なお、ニューロン集合Ncも学習回数tの関数であり、学習回数tが増加するほど、近傍の範囲を狭くするように設定される。式(4)による重みベクトルの更新により、勝者ニューロン及びその近傍のニューロンの重みベクトルは、入力データベクトルに近づくように修正される。
上述した学習規則にしたがった演算を多数の入力データベクトルについて実行すると、M個のニューロンの配置は、入力データベクトルの分布状態を反映したものとなる。例えば、入力データベクトルを簡単のために2次元ベクトルとして、その配置を平面上に表したとき、入力データベクトルが平面上に一様に分布しているときは、学習後のニューロンの配置は平面上に一様に分布する。また入力データベクトルの分布に偏り(粗密)があるときには、ニューロンの分布状態は、同様の偏りのある分布状態となる。
このようにして得られた自己組織化マップは、学習ベクトル量子化(LVQ)アルゴリズムをさらに適用することにより、ニューロンの配置をより適切なものとするようにしてもよい。
図2は、本実施形態における目標スロットル弁開度THCMDを算出する自己組織化マップを2次元マップとして示す。この2次元マップは、最も支配的な要因となる2つの入力パラメータである目標吸入空気量GAIRCMD及び過給圧PBによって定義されている。入力データベクトルxTHは下記式(10)で定義される。すなわち、入力パラメータは目標吸入空気量GAIRCMD、過給圧PB、吸気圧PI、及びエンジン回転数NEである。
xTH=(GAIRCMD,PB,PI,NE) (10)
図2に示すマップは複数の領域RNRi(i=1〜M,M=36)に分割されており、各領域に1つのニューロンNRi(「*」でプロットされている)が含まれる。多数の入力データベクトルxTHによる学習を予め行うことによって、各ニューロンNRiの位置(重みベクトルwi)が決定され、さらに隣接するニューロンとの位置関係を考慮して境界線を引くことにより、各領域RNRiが定義されている。学習の際に適用する入力データベクトルxTHの分布を、実際のエンジン運転中の出現分布と一致させておくことにより、エンジン運転中に出現頻度の高い運転状態に対応する領域においては、ニューロンNRiの分布が密になる。これにより、出現頻度の高い運転状態における目標スロットル弁開度THCMDの算出精度を高めることができる。図2に示すマップは、標準的なエンジン(新品でかつ作動特性が平均的なエンジン)に対応する学習を行うことにより得られたものである。なお、図2には黒丸で学習に適用した入力データがプロットされている。
自己組織化マップの学習中においては、入力データベクトルxTHと、その入力データベクトルxTHに対応するスロットル弁開度THとを用いて、下記式(11)で示す重み係数ベクトルCi(i=1〜M)が算出され、記憶される。重み係数ベクトルCiは、各ニューロンNRiに対応して算出され、記憶される。
Ci=(C0i,C1i,C2i,C3i,C4i) (11)
実際の制御演算においては、入力データベクトルxTHの要素である目標吸入空気量GAIRCMD及び過給圧PBによって決まるその時点のマップ上の動作点を含む領域RNRiが選択され、領域RNRiを代表するニューロンNRiに対応付けられた重み係数ベクトルCi及び入力データベクトルxTHを下記式(12)に適用して、目標スロットル弁開度THCMDが算出される。
THCMD=C1i×GAIRCMD+C2i×PB
+C3i×PI+C4i×NE+C0i (12)
図3は、吸入空気量GAIR[g/sec]と、スロットル弁開度THとの関係を示す図であり、曲線L1〜L5は、それぞれエンジン回転数NEが1000,1500,2000,2500,及び3000rpmである状態に対応する。
この図から明らかなように、エンジン回転数NEが一定という条件の下で、スロットル弁開度THを増加させていくと、吸入空気量GAIRが増加するが一定値(飽和レベル)で飽和し、スロットル弁開度THを変化させても、吸入空気量GAIRは変化しない。すなわち、吸入空気量GAIRが飽和レベル(以下「最大吸入空気量GAIRMAX」という)に達すると、スロットル弁開度THの変更は吸入空気量GAIRに影響を与えない。そこで、本実施形態では、アクセルペダル操作量AP及びエンジン回転数NEに応じて設定される目標吸入空気量GAIRCMDが、最大吸入空気量GAIRMAXに所定閾値係数KTH(例えば0.95)を乗算することにより得られる判定閾値GARTH以上であるときは、目標スロットル弁開度THCMDを最大開度THMAX(例えば「90度」)に設定するようにしている。これにより、吸入空気量の制御性を損なうこと無く、ECU20のCPUの演算負荷を軽減することができる。一方、目標吸入空気量GAIRCMDが最大吸入空気量GAIRMAXより小さいときは、上述した自己組織化マップ(以下「SOM」という)を用いて、目標スロットル弁開度THCMDを算出するようにしている。これにより、実際の吸入空気量GAIRを目標吸入空気量GAIRCMDに制御する上で最適のスロットル弁開度の設定を行うことができる。
図4は、目標スロットル弁開度THCMDを算出する処理のフローチャートであり、この処理はECU20のCPUで所定時間毎に実行される。
ステップS11では、アクセルペダル操作量AP及びエンジン回転数NEに応じてGAIRCMDマップ(図示せず)を検索し、目標吸入空気量GAIRCMDを算出する。GAIRCMDマップは、アクセルペダル操作量APが増加するほど目標吸入空気量GAIRCMDが増加し、かつエンジン回転数NEが増加するほど目標吸入空気量GAIRCMDが増加するように設定されている。
ステップS12では、エンジン回転数NE及び過給圧PBに応じてGAIRMAXマップ(図示せず)を検索し、最大吸入空気量GAIRMAXを算出する。GAIRMAXマップは、エンジン回転数NEが増加するほど最大吸入空気量GAIRMAXが増加し、かつ過給圧PBが増加するほと最大吸入空気量GAIRMAXが増加するように設定されている。
ステップS13では、最大吸入空気量GAIRMAXに所定閾値係数KTHを乗算することにより、判定閾値GAIRTHを算出する。ステップS14では、目標吸入空気量GAIRCMDが判定閾値GAIRTHより小さいか否かを判別し、この答が肯定(YES)であるときは、SOMを用いて目標スロットル弁開度THCMDを算出する(ステップS15)。
ステップS14で、目標吸入空気量GAIRCMDが判定閾値GAIRTH以上であるときは、目標スロットル弁開度THCMDを最大開度THMAXに設定する。
以上のように本実施形態では、目標吸入空気量GAIRCMDが判定閾値GAIRTHより小さいときは、目標吸入空気量GAIRCMD,過給圧PB,吸気圧PI,及びエンジン回転数NEが入力され、目標スロットル弁開度THCMDを出力するSOMを用いて、目標スロットル弁開度THCMDが算出される一方、目標吸入空気量GAIRCMDが判定閾値GAIRTH以上であるときは、目標スロットル弁開度THCMDが最大開度THMAXに設定され、SOMを用いた目標スロットル弁開度THCMDの算出が停止される。したがって、目標スロットル弁開度THCMDの必要な算出精度を維持しつつ、目標吸入空気量GAIRCMDが大きい運転状態におけるCPUの演算負荷を軽減することができる。
また目標吸入空気量GAIRCMDが判定閾値GAIRTH以上であるときは、目標スロットル弁開度THCMDが全開開度THMAXに設定されるので、ポンピング損失を低減し、エンジンの効率を高めることができる。
また吸入空気量GAIRが、図3に示すように最大吸入空気量GAIRMAXに達すると、スロットル弁開度THを変化させても吸入空気量GAIRが変化しなくなるので、最大吸入空気量GAIRMAXに所定閾値係数KTHを乗算して判定閾値GAIRTHを算出することにより、制御の切換を適切に行うことができる。
本実施形態では、スロットル弁3が吸気制御弁に相当し、ECU20が目標吸入空気量算出手段、制御量算出手段、及び算出切換手段を構成する。具体的には、図4のステップS11が目標吸入空気量算出手段に相当し、ステップS15が制御量算出手段に相当し、ステップS12〜S14及びS16が算出切換手段に相当する。
[変形例]
図5は、図4に示す処理の変形例を示すフローチャートである。この処理は、図4のステップS16をステップS16a及び16bに代えたものである。
ステップS16aでは、最大吸入空気量GAIRMAXに応じて図6に実線で示すTHSTBテーブルを検索し、最大吸入空気量GAIRMAXを実現する最小のスロットル弁開度である最小飽和開度THSTBに設定する。THSTBテーブルは、最大吸入空気量GAIRMAXが増加するほど、最小飽和開度THSTBが増加するように設定されている。図6には参考のために図3に示す曲線L1〜L5が破線で示されている。最小飽和開度THSTBは、換言すれば、エンジン回転数NEが一定の条件の下で、吸入空気量が飽和する最小のスロットル弁開度である。
ステップS16bでは、目標スロットル弁開度THCMDを最小飽和開度THSTBに設定する。
この変形例によれば、目標吸入空気量GAIRCMDが判定吸気量GARITH以上の値から判定吸気量GAIRTHより小さい値に変化したときに、スロットル弁3の閉弁方向への駆動に伴う応答遅れに起因するむだ時間を最小限に抑制し、吸入空気量GAIRの減量を迅速に行って排気特性や機関運転性を向上させることができる。
この変形例では、図5のステップS12〜S14、S16a、及びS16bが算出切換手段に相当する。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態ではニューラルネットワークとして、自己組織化マップを用いたが、これに限るものではなく、いわゆるパーセプトロンとして知られるニューラルネットワークを使用するようにしてもよい。
また所定閾値係数KTHを「1.0」とし、判定閾値GAIRTHを最大吸入空気量GAIRMAXに設定するようにしてもよい。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。
1 内燃機関
2 吸気管
3 スロットル弁(吸気制御弁)
20 電子制御ユニット(目標吸入空気量算出手段、制御量算出手段、算出切換手段)
22 過給圧センサ
24 吸気圧センサ
27 アクセルセンサ
28 エンジン回転数センサ

Claims (1)

  1. 内燃機関の目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段を備え、前記目標吸入空気量に応じて前記機関の吸気制御弁の開度を制御する、内燃機関の吸気制御装置において、
    前記機関の運転状態を示す機関運転パラメータ及び前記目標吸入空気量が入力され、前記吸気制御弁の制御量を出力するニューラルネットワークを用いて、前記吸気制御弁の制御量を算出する制御量算出手段と、
    前記目標吸入空気量が判定吸気量以上であるときは、前記制御量算出手段による前記制御量の算出を停止し、前記制御量を所定量に設定する算出切換手段とを備え
    前記判定吸気量は、前記機関の最大吸入空気量より小さくかつ前記最大吸入空気量に近い値に設定され、
    前記所定量は、前記機関の最大吸入空気量を実現する前記吸気制御弁の制御量の内、最小の制御量に設定されることを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
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