(57)【要約】【課題】演算負荷を抑えながら、理想とする熱発生率に近づけるように熱発生率を制御できるようにする。【解決手段】熱発生率波形取得部１０３は、エンジン状態量に基づいて、データベース１０１から、理想とする熱発生率波形ＲＨＲDBを取得する。モデル演算部１０４は、エンジン状態量及び所定の制御パラメータの値に基づいて、計算モデルを用いて熱発生率波形ＲＨＲstatを計算する。平均二乗誤差計算部１０５は、ディーゼルエンジン１の動作周期の一部の区間を対象区間として、熱発生率波形ＲＨＲDBと熱発生率波形ＲＨＲstatとの平均二乗誤差を計算する。決定部１０６は、所定の条件を満たすまで、所定の制御パラメータの値を変更してモデル演算部１０４及び平均二乗誤差計算部１０５による計算を繰り返して、所定の制御パラメータの値を決定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における熱発生率を制御する内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の状態量を取得する状態量取得手段と、
前記状態量取得手段で取得した内燃機関の状態量に基づいて、理想とする熱発生率情報を取得する熱発生率情報取得手段と、
前記状態量取得手段で取得した内燃機関の状態量及び所定の制御パラメータの値に基づいて、計算モデルを用いて熱発生率情報を計算するモデル演算手段と、
内燃機関の動作周期の一部の区間を対象区間として、前記熱発生率情報取得手段で取得した理想とする熱発生率情報と、前記モデル演算手段で計算した熱発生率情報との平均二乗誤差を計算する平均二乗誤差計算手段と、
所定の条件を満たすまで、前記所定の制御パラメータの値を変更して前記モデル演算手段及び前記平均二乗誤差計算手段による計算を繰り返して、前記所定の制御パラメータの値を決定する決定手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記対象区間は、パイロット噴射による燃焼開始からメイン噴射による燃焼のピークまでの区間のすべて又は一部であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記所定の制御パラメータは、燃料噴射に関するパラメータを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記計算モデルは、実験データに基づく実験モデルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
内燃機関における熱発生率を制御するためのプログラムであって、
内燃機関の状態量を取得する状態量取得処理と、
前記状態量取得処理で取得した内燃機関の状態量に基づいて、理想とする熱発生率情報を取得する熱発生率情報取得処理と、
前記状態量取得処理で取得した内燃機関の状態量及び所定の制御パラメータの値に基づいて、計算モデルを用いて熱発生率情報を計算するモデル演算処理と、
内燃機関の動作周期の一部の区間を対象区間として、前記熱発生率情報取得処理で取得した理想とする熱発生率情報と、前記モデル演算処理で計算した熱発生率情報との平均二乗誤差を計算する平均二乗誤差計算処理と、
所定の条件を満たすまで、前記所定の制御パラメータの値を変更して前記モデル演算処理及び前記平均二乗誤差計算処理による計算を繰り返して、前記所定の制御パラメータの値を決定する決定処理とをコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関における熱発生率を制御する内燃機関の制御装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの性能向上を図る上で、シリンダ内に噴射された燃料の燃焼経過を表わす熱発生率が重要な指標となる。
従来、ディーゼルエンジンにおける熱発生率をＷｉｅｂｅ関数でモデル化することが行われている。例えば特許文献１には、計測した筒内圧に基づいて、クランク角度毎の実熱発生率を算出し、また、Ｗｉｅｂｅ関数モデルに基づいて、現在の運転条件におけるクランク角度毎の推定熱発生率を算出して、実熱発生率と推定熱発生率との差がノック判定ラインを超えている部分がある場合には、ノックと判定する内燃機関の燃焼異常検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１７０３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、熱発生率をＷｉｅｂｅ関数でモデル化して求める場合、例えばその係数の設定如何では熱発生率の推定精度が低くなるおそれがある。
また、特許文献１では、実熱発生率の計算と推定熱発生率の計算とを行わなければならず、演算負荷が大きく、また、実熱発生率の計算のために筒内圧センサが必要となり、構成が複雑になる。
【０００５】
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、演算負荷を抑えながら、理想とする熱発生率に近づけるように熱発生率を制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関における熱発生率を制御する内燃機関の制御装置であって、内燃機関の状態量を取得する状態量取得手段と、前記状態量取得手段で取得した内燃機関の状態量に基づいて、理想とする熱発生率情報を取得する熱発生率情報取得手段と、前記状態量取得手段で取得した内燃機関の状態量及び所定の制御パラメータの値に基づいて、計算モデルを用いて熱発生率情報を計算するモデル演算手段と、内燃機関の動作周期の一部の区間を対象区間として、前記熱発生率情報取得手段で取得した理想とする熱発生率情報と、前記モデル演算手段で計算した熱発生率情報との平均二乗誤差を計算する平均二乗誤差計算手段と、所定の条件を満たすまで、前記所定の制御パラメータの値を変更して前記モデル演算手段及び前記平均二乗誤差計算手段による計算を繰り返して、前記所定の制御パラメータの値を決定する決定手段とを備えたことを特徴とする。
本発明のプログラムは、内燃機関における熱発生率を制御するためのプログラムであって、内燃機関の状態量を取得する状態量取得処理と、前記状態量取得処理で取得した内燃機関の状態量に基づいて、理想とする熱発生率情報を取得する熱発生率情報取得処理と、前記状態量取得処理で取得した内燃機関の状態量及び所定の制御パラメータの値に基づいて、計算モデルを用いて熱発生率情報を計算するモデル演算処理と、内燃機関の動作周期の一部の区間を対象区間として、前記熱発生率情報取得処理で取得した理想とする熱発生率情報と、前記モデル演算処理で計算した熱発生率情報との平均二乗誤差を計算する平均二乗誤差計算処理と、所定の条件を満たすまで、前記所定の制御パラメータの値を変更して前記モデル演算処理及び前記平均二乗誤差計算処理による計算を繰り返して、前記所定の制御パラメータの値を決定する決定処理とをコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、演算負荷を抑えながら、理想とする熱発生率に近づけるように熱発生率を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る内燃機関の制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】ＥＣＵの機能構成を示す図である。
【図３】ＥＣＵによる熱発生率の制御の概要を説明するための図である。
【図４】ＥＣＵによる熱発生率の制御の処理例を示すフローチャートである。
【図５】図４のステップＳ４の処理の詳細を示すフローチャートである。
【図６】熱発生率波形の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、実施形態に係る内燃機関の制御システムの概略構成を示す。本実施形態では、内燃機関として、自動車に搭載されるディーゼルエンジン１を対象とする。
ディーゼルエンジン１の吸気ポートには、液体燃料を噴射するためのインジェクタ２が配設される。ピストンを用いて圧縮加熱した空気に対して、燃料ポンプ３から供給される液体燃料をインジェクタ２により噴射することで着火させる。
【００１０】
ディーゼルエンジン１は、燃焼用空気を過給するターボチャージャー４を備える。ターボチャージャー４は、そのタービンが排気ガスで回転駆動されて、同軸上のコンプレッサによって吸気を圧縮する。コンプレッサの下流側にはインタークーラ５が配置され、その下流側の燃焼室に燃焼用空気を供給する。マスフローセンサ６は、吸気量を測定して、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１００に通知する。
ターボチャージャー４のタービンの下流側には、排気ガスから物質を除去する排気触媒７が配置される。排気触媒７の下流側には、主として排気を消音するマフラー８が配置され、マフラー８の下流側で排気ガスが大気に排出される。
【００１１】
ディーゼルエンジン１では、排気ガス中の窒素酸化物の低減や燃費向上等を目的として排気再循環を行う。排気側と吸気側がパイプでつながり、そこに設けられたＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブ９を開閉することで、吸気側に戻す排気ガスの量を調整する。
【００１２】
ＥＣＵ１００は、各種センサからセンサ信号が供給され、これらセンサ信号に基づいて、インジェクタ２及び燃料ポンプ３による燃料噴射、ＥＧＲバルブ９による排気再循環、ターボチャージャー４による過給等を制御する。ＥＣＵ１００は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータ装置により実現される。
【００１３】
本実施形態では、ＥＣＵ１００が本発明を適用した内燃機関の制御装置として機能し、ディーゼルエンジン１（以下、単にエンジンとも呼ぶ）における熱発生率を制御する。図２は、ＥＣＵ１００の機能構成を示す図である。また、図３は、ＥＣＵ１００による熱発生率の制御の概要を示す。
【００１４】
１０１はデータベースであり、理想とする熱発生率波形（以下、理論熱発生率波形と呼ぶ）ＲＨＲDBを複数格納する。理論熱発生率波形ＲＨＲDBは、エンジン状態量毎に予め用意されている。エンジン状態量は、例えばエンジン回転数、燃料の総噴射量、空気量、冷却水温、ＥＧＲ量の組み合わせからなる。理論熱発生率波形ＲＨＲDBは、低騒音及び低燃費を両立する波形が予め設定される。
【００１５】
１０２はエンジン状態量取得部であり、ＥＣＵ１００内部での演算やセンサ信号に基づいてエンジン状態量（エンジン回転数、燃料の総噴射量、空気量、冷却水温、ＥＧＲ量）を取得する。
１０３は熱発生率波形取得部であり、エンジン状態量取得部１０２で取得したエンジン状態量に基づいて、データベース１０１から、理論熱発生率波形ＲＨＲDBを選択、取得する。
【００１６】
１０４はモデル演算部であり、エンジン状態量取得部１０２で取得したエンジン状態量、及び所定の制御パラメータの値に基づいて、予め用意された計算モデルを用いて熱発生率波形（以下、実熱発生率波形と呼ぶ）ＲＨＲstatを計算する。計算モデルは、エンジン状態及び所定の制御パラメータを説明変数として熱発生率波形を表現するものであり、本実施形態では、実験データに基づく実験モデルが用いられる。所定の制御パラメータは、熱発生率に密接に関係する燃料噴射に関するパラメータであり、燃料圧力、メイン噴射時期、パイロット噴射時期、メイン噴射量、パイロット噴射量のうち少なくともいずれかを含む。なお、以下では、所定のパラメータを単に制御パラメータと呼ぶ。
【００１７】
１０５は平均二乗誤差計算部であり、ディーゼルエンジン１の動作周期の一部の区間を対象区間として、熱発生率波形取得部１０３で取得した理論熱発生率波形ＲＨＲDBと、モデル演算部１０４で計算した実熱発生率波形ＲＨＲstatとの平均二乗誤差（ＲＭＳＥ（Root Mean Squared Error））を計算する。なお、対象区間の詳細については後述する。
【００１８】
１０６は決定部であり、所定の条件を満たすまで、制御パラメータの値を変更してモデル演算部１０４及び平均二乗誤差計算部１０５による計算を繰り返して、制御パラメータの値を決定する。本実施形態では、平均二乗誤差計算部１０５で計算する平均二乗誤差を目的関数とし、平均二乗誤差が所定の値以下となるように、制御パラメータの値を変更しながら、モデル演算部１０４及び平均二乗誤差計算部１０５による計算を繰り返す。
１０７は制御部であり、決定部１０６で決定した制御パラメータの値に基づいて、インジェクタ２及び燃料ポンプ３による燃料噴射を制御する。
【００１９】
図４は、ＥＣＵ１００による熱発生率の制御の処理例を示すフローチャートである。
ステップＳ１で、エンジン状態量取得部１０２は、ＥＣＵ１００内部での演算やセンサ信号に基づいて現在のエンジン状態量（エンジン回転数、燃料の総噴射量、空気量、冷却水温、ＥＧＲ量）を取得する。
【００２０】
ステップＳ２で、熱発生率波形取得部１０３は、ステップＳ１において取得したエンジン状態量に基づいて、データベース１０１から、理論熱発生率波形ＲＨＲDBを選択、取得する。
図６に、熱発生率波形の例を示す。熱発生率波形は、クランク角毎の熱発生率を表わすものであり、横軸がクランク角、縦軸が熱発生率を示す。図６には、あるエンジン状態量のときにデータベース１０１から取得される、理論熱発生率波形ＲＨＲDBを示す。ディーゼルエンジン１では多段噴射が採用されており、圧縮行程終わりにパイロット噴射が行われ、その後メイン噴射が行われるので、図６に示すように、パイロット噴射による燃焼のピーク６０１と、メイン噴射による燃焼のピーク６０２とが現れる。パイロット噴射による燃焼で燃焼室内の温度を上昇させることで、メイン噴射で供給される燃料の着火遅れを 小さくして、低減させることができる。
【００２１】
ステップＳ３で、平均二乗誤差計算部１０５は、ステップＳ２において取得した理論熱発生率波形ＲＨＲDBから、ディーゼルエンジンの動作周期の一部の区間を対象区間として設定する。
本実施形態で、図６に示すように、パイロット噴射による燃焼開始からメイン噴射による燃焼のピーク６０２までの区間を対象区間とする。具体的には、熱発生率ＲＨＲDBが予め設定された熱発生率ＲＨＲ0を超えたタイミングをパイロット噴射による燃焼開始とし（クランク角ｔ＝ｔ0）、その後、熱発生率ＲＨＲDBが最大となるタイミングをメイン噴射による燃焼のピーク６０２とする（クランク角ｔ＝ｔmax）。
【００２２】
ステップＳ４で、ＥＣＵ１００は、計算モデル用いて実熱発生率波形ＲＨＲstatを計算し、ステップＳ３において決定した対象区間［ｔ0〜ｔmax］において、理論熱発生率波形ＲＨＲDBと実熱発生率波形ＲＨＲstatとが一致するように制御パラメータの値を決定して、その値をＥＣＵ１００に設定する。ステップＳ４の詳細は次に述べるが、ここでいう一致とは、理論熱発生率波形ＲＨＲDBと実熱発生率波形ＲＨＲstatとの平均二乗誤差が所定の値以下となることをいう。
【００２３】
図５に、ステップＳ４の処理の詳細を示す。
ステップＳ４０１で、モデル演算部１０４は、ステップＳ１において取得したエンジン状態量、及び現在の制御パラメータの値に基づいて、計算モデルを用いて実熱発生率波形ＲＨＲstatを計算する。
本実施形態では、計算モデルとして、実験モデルが用いられる。ディーゼルエンジンの開発では、実験データに基づく実験モデル（統計モデル）を用いるモデルベース適合（ＭＢＣ：Model-Based Calibration）と呼ばれる手法が用いられ、この実験モデルからエンジン定常状態でＥＧＲ、燃料圧力、メイン噴射時期等の複数の設計変数の適合マップを導出することが行われる。計算モデルとして、ＭＢＣで作成される実験モデルを再利用するようにすれば、モデル開発工数や期間を削減することができる。
なお、計算モデルは物理モデルとしてもよいが、実験モデルとすることで、制御パラメータの変化に応じた熱発生率をより正確に表現することが可能となる。
【００２４】
ステップＳ４０２で、平均二乗誤差計算部１０５は、ステップＳ３において設定した対象区間［ｔ0〜ｔmax］において、ステップＳ２において取得した理論熱発生率波形ＲＨＲDBと、ステップＳ４０１において計算した実熱発生率波形ＲＨＲstatとの平均二乗誤差ＲＭＳＥ（ｙk→）を計算する。ｙ→は、制御パラメータの値を表わす。なお、ｙ→の表記は、ｙの上に→が付されているものとする。
平均二乗誤差は、真値との差を評価する指標として知られており、本実施形態では下式（１）により表わされ、理論熱発生率波形ＲＨＲDBに対する実熱発生率波形ＲＨＲstatのずれを評価する指標とする。なお、ｋはループ回数（ｋ＝１，２，・・・）を表わす。また、ＲＨＲtは各クランク角ｔにおける熱発生率を表わし、適宜なきざみ幅（本例では０．２）を用いて、下式（２）で表わされる。
ｔ＝ｔ0＋０．２（ｊ−１）  （ｊ＝１，２，・・・）（ｔ0≦ｔ≦ｔmax）・・・（２）
【００２５】
【数１】
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【００２６】
ステップＳ４０３で、決定部１０６は、ステップＳ４０２において計算した平均二乗誤差ＲＭＳＥ（ｙk→）が、所定の値ＲＭＳＥ0以下であるか否かを判定する。
【００２７】
ステップＳ４０３において平均二乗誤差ＲＭＳＥ（ｙk→）が所定の値ＲＭＳＥ0以下でなければ、ステップＳ４０４に進み、制御パラメータの値を変更する。例えば最急降下法を用いて、下式（３）により制御パラメータｙk+1→を計算して、ステップＳ４０１に戻る。なお、式（３）において、ｎは制御パラメータの種別を表わす。これを受けて、ステップＳ４０１で、モデル演算部１０４は、制御パラメータの値をｙk+1→に置き換えて、計算モデル用いて実熱発生率波形ＲＨＲstatを計算しなおす。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
一方、ステップＳ４０３において平均二乗誤差ＲＭＳＥ（ｙk→）が所定の値ＲＭＳＥ0以下であれば、ステップＳ４０５に進み、制御パラメータの値をｙk→に決定して、ＥＣＵ１００に設定する。ＥＣＵ１００は、設定された制御パラメータの値に基づいて、インジェクタ２及び燃料ポンプ３による燃料噴射を制御する。これにより、理論熱発生率波形ＲＨＲDBに近づけるように熱発生率を制御することができ、低騒音と低燃費を両立することができる。
【００３０】
図６には、あるエンジン状態量及びある制御パラメータの値のときに計算モデルから計算される実熱発生率波形ＲＨＲstatを示す。図６に示す例において、実熱発生率波形ＲＨＲstatでは、理論熱発生率波形ＲＨＲDBに対して、パイロット噴射による燃焼のピーク６０３がやや高く、かつ遅れて現れ、メイン噴射による燃焼のピーク６０４がやや低く、かつ早く現れるかたちになっている。この実熱発生率波形ＲＨＲstatを、理論熱発生率波形ＲＨＲDBに近づけるように、すなわち平均二乗誤差が所定の値以下となるように、制御パラメータの値を探索するものである。
【００３１】
ここで、図６を参照して、熱発生率波形による騒音及び燃費への影響について説明する。
パイロット噴射による燃焼開始からメイン噴射による燃焼のピーク６０２までの区間［ｔ0〜ｔmax］は、燃焼音による騒音と燃費への寄与率が高い区間といえる。
より詳細には、パイロット噴射による燃焼開始からその燃焼のピーク６０１を超えて熱発生率がいったん落ち込むまでの区間［ｔ0〜ｔm］では、熱発生率が主に燃費に影響を与える。パイロット噴射を行う分だけ燃費が落ちることになるので、パイロット噴射による目的を達成する中で、パイロット噴射量はできるだけ少なくなるのがよいといえる。パイロット噴射量の増加に伴って熱発生率のピークも増加する。パイロット噴射による熱発生率が大きい程投入した燃料量が多いことを示し、燃費悪化の原因となる。
また、熱発生率がいったん落ち込んだ後、メイン噴射による燃焼のピーク６０２に至るまでの区間［ｔm〜ｔmax］では、熱発生率が主に騒音と燃費に影響を与える。熱発生率の変化が急峻になると、燃焼音が大きく発生する。一方で、燃費は向上する。
理論熱発生率波形ＲＨＲDBでは、区間［ｔ0〜ｔm］での低燃費化と、区間［ｔm〜ｔmax］での低騒音化のバランスを考慮して、低騒音及び低燃費を両立するような波形となっている。このような理論熱発生率波形ＲＨＲDBに近づけるように制御パラメータの値を決定し、熱発生率を制御することにより、低騒音と低燃費を両立することができる。
【００３２】
以上述べたように、平均二乗誤差を導入して、理論熱発生率波形ＲＨＲDBに近づけるように熱発生率を制御することができる。この場合に、目的関数が単一であり、かつ対象区間をディーゼルエンジン１の動作周期の一部に限定することにより、演算負荷を抑え、速やかに制御パラメータの値を決定して制御に反映させることができる。また、熱発生率の計算のために筒内圧センサが不要であり、構成が複雑になることもない。
【００３３】
一般に、ディーゼルエンジンでは、例えばエンジン回転数と燃料の総噴射量を軸とした説明変数のマップによって制御される。マップ制御による説明変数の値は、エンジン回転数や燃料の総噴射量が変化したとき、マップの軸の格子間を線形補間した値として制御される。しかしながら、エンジン回転数や燃料の総噴射量が変化するとき、例えば空気量は非線形的に変化する場合があり、マップ制御による線形補間では最適な説明変数で制御することができなくなる。
それに対して、本発明を適用したディーゼルエンジンの制御では、マップとは関係なく、エンジン状態量に応じて、理論熱発生率波形ＲＨＲDBが取得され、それに近づけるように制御パラメータの値が補正されるので、常に最適な制御を実行することができる。
【００３４】
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、これらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
例えば上記本実施形態では、平均二乗誤差が所定の値ＲＭＳＥ0以下となるまでステップＳ４０１、Ｓ４０２の処理を繰り返す例としたが、例えば予め定められた回数だけステップＳ４０１、Ｓ４０２の処理を繰り返し、その中で平均二乗誤差が最小となる制御パラメータの値を採用する形態としてもかまわない。
【００３５】
また、上記実施形態では、エンジン状態量として、エンジン回転数、燃料の総噴射量、空気量、冷却水温、ＥＧＲ量を挙げたが、それに限られるものではない。また、所定の制御パラメータとして、燃料圧力、メイン噴射時期、パイロット噴射時期、メイン噴射量、パイロット噴射量を挙げたが、それに限られるものではない。なお、所定の制御パラメータには、遅れが生じにくい説明変数を設定するのが好ましい。例えばＥＧＲ量、過給圧や過給量は物理的距離により過渡運転時に遅れが生じ、指示通りに制御することが難しくなるおそれがある。
【００３６】
また、上記実施形態では、理論熱発生率波形ＲＨＲDBを、低騒音及び低燃費を両立するような波形とすることを説明したが、どのような熱発生率波形を理想とするかは適宜定められればよい。例えば排ガス性能への寄与が高いといえる、吸気温度、大気圧、過給圧、燃料温度等をエンジン状態量や所定の制御パラメータとして用い、騒音、燃費に替えて或いは加えて、排ガス性能に着目したものを理論熱発生率波形としてもよい。
【００３７】
また、例えばポスト噴射を実施する場合、ポスト噴射による燃焼が与える騒音及び燃費への影響を考慮して、上記実施形態で説明した対象区間を変更するようにしてもよい。
【００３８】
本発明を適用した内燃機関の制御装置は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータ装置により実現可能である。
また、本発明は、本発明の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：ディーゼルエンジン
２：インジェクタ
３：燃料ポンプ
１００：ＥＣＵ
１０１：データベース
１０２：エンジン状態量取得部
１０３：熱発生率波形取得部
１０４：モデル演算部
１０５：平均二乗誤差計算部
１０６：決定部
１０７：制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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