計測自動制御学会東北支部礫175回研究集会（1粥胤6．19）
資料番号175−10

ガソリンエンジンにおける制御・診断の高度化技術
AdvancedControIandI）iagno由鮎rIgnitionSparkEJlginc
O栗原 伸夫♯，大須賀 稔＊＊
ONobuoKuriharaヂ，MinoruOhsuga＊＊♯八戸工業大学，＝日立製作所★HachinohehstituteofTtclmology，＊H血chiLtd・

牛−ワード：ガソリンエンジン（Gas。1i。eEAgi叫，電子制御スロットル（ELectri亡allyC仙tr。11亡dThTOttlc），ノック検出（EnockDetc亡tion），限界空燃比検出（AJFLimitDe（eCtion）

連絡先：〒03ト阜501八戸市大字抄字大開郎−1八戸工業大学工学部機械工学科 栗原伸夫
丁亡1・＝（01丁印5一邑17ヰ，Faェ・＝（0174）25−817ヰ．E−mail」川rihara＠血i−1七血・如■jp

1．はじめに

ヅトルの制御，ノッキングのデジタル検出と制軋
限界空燃比血デジタル検出を取り上げて報告する．

エンジン制御システムにおける電子化の進展には著しいものがある．燃料制御は気化器から噴射式に代わり，点火制御も電子式進角方式となり，2．エンジンのアドバンスト制御

すべてこれらはマイクロコンピュータで制御され近年の半導体技術の進展には目覚ましいものがる．そして最近の排気HC濃度は．気化器の時代あり，エンジン制御を支えるマイクロコンピューに比べて1／10Dにも低減した．制御ロジックはタも一段と高性能になってきた．図1はエンジン極めて緻密なものとなり，またソフトウエアの量制御に使われ出した1p70年代の終り噴からここは初期の頃に比べると10〜ユ0倍にも達している．

30年の推移を処理能力（当社比）で示したものでこうしたエンジン制御の進展が実用レベルで許容ある．エンジン制御で使用するものはメモリや専きれてきたのは，マイクロコンピュータの急速な用Ⅳ0を同一ウェハ内に納めたシングルチップ構性能向上に支えられてきたと言える．

成であり，また耐環境性に厳しい自動車仕様のも今また燃費〔CO2）低減のために燃料噴射の場所のである．しかしながらアロセヅサについては当をボート部からシリンダ部へと移し，簡内に直接時蕗ビットのCISCであったものが現在ではココヒ噴射して超リーン燃焼させる，直噴エンジンが普ットのRISCに変わって，地理能力は平均で100及しつつある．本論文では，超1」−ン／トンを実店／ヱ0年という驚異的なスピードで向上してき現するための制御に関して，特にマイクロコンピた．また機器組込型とは言えそのメモリ容量は1ュータの高度利用という観点から，電子制御スロMbyt∈に届こうとしている．こうしたトレンドは

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微細加工プロセスの進展につれてまだしばらく続きた．図2はこうしたエンジン制御におけるアドくものと思われる．

バンスト制御のアルゴリズムを適用した例を示す．

こうしたマイクロコンピュータの性能向上によ

ここでのアドバンスト制御とは，（1）モデリング技って，従来，オンボードでは難しいと思われてい術にもとづくエンジン特性の制御系への組み込み．

たような制御アルゴリズムも適用が可能になって（王）従来は実験解析用であった信号処理技術のオエンジンでは制御の自由度が増すだけに，エンジンボード化，（3）現代制御理論の実用化の3つのン性能を充分に引き出すうえで，ドライバの意図カテゴリを観称したものである．モデリング技術に即応したきめ細かな制御が求められる．

では吸気管の燃料付着モデルやシリンダ流入空気

ここでは，直噴エンジンの制御の中でも2章で量の遅れモデルなどが実用になっ述べたアドバンスト制御に閲す革ものとして，電ている．また信号処理技術では周波数分析や相関子制御スロットルのLqG制御，周波数分析に基づ解析などが次第にオンボード化され，さらには現

くノッキング検出ヒ気筒別トルク変動検出につい代制御理論も最適レギュレータを始めとして実効て述べる．

を上げつつある．いずれにしてもマイクロコンピ

4．電子制御スロットルの制御

ュータの性能向上はこうしたアトパンスト制御の適用を容易に受け入れるところまで来ている．

スロットルはもともとアクセルペダルと連動してドライバの意図つまり駆動力要式をエンジンに3．直噴エンジンの制御システム伝える手段である．しかしリーンバーンやAT，ガソリンエンジンの技術開発はト辛の持つ走りCVTが普及してエンジンと伝達系の駆動力配舟の良さを追及するとともに排気浄化や松草低減にを最適化するうえで，アクセルペダルと切り離な向けて多年にわたり続けられてきている．こうしして自動操作するコンセプトが受け入れられるよ

た課題解決の一つの答えとして，最近，園3で示うになってきた．特に直噴エンジンのように燃焼すような直噴エンジンが市域投下され出した．現条件によりトルク段差を生じやすい場合には竜子行のポート噴射エンジンに比べて燃眉を飛躍的に制御スロットルの使用が効果的である．写真1は改善できることから普及拡大が斯持されている．

コンパクトに設計された最新の電子制御スロット

直噴エンジンに封ナる制御システムは，従来のルの外観を示す．4気筒エンジン向けのもので，ポート噴射式に比べると一段と緻密かつ複雑な機直読モータ，変速ギア，開度センサ，そしてバタ能を持つことになる．囲3において，まず燃料系フライ弁で構成されている．電子制御スロはインジェクタへの燃料供給圧力の負荷に応じたットルには．アクセルペダルよりも速い応答性能

設定や噴射タイミングも吸気行程だけでなく圧宿とアイドル制御弁に代脊できる分解能が要求され，行程も選ぺる．点火轟はエネルギが強化され，ましかも環境変化とくに周囲温度やバッテリ電圧のた燃料気化で吸気冷却はされるが圧縮比を上げる

変動にロバストでなければならない．

のでやはりノッキングの哲理が重要である．空気囲4に電子制御スロットルにおける制御系の例

系では流動制御弁が付加されるとともにスロットを示す．開度要剥こ対して，（り開度センサを用いルを電子制御式にしてストイキから50近くまでたフィードバック制御，（2）DCモータの電流フィの広範囲な空燃比でのスムーズな運転を実現する．

ードパック制御，（3）制御偏差が少なくなった整定

さらに排気浄化のためにEG且の容量を従来の10時に作動する間欠ディザ制御の3段階の制御で追倍も増して燃焼速度を制御する．このように直噴従させている．たとえばステップ状の大きな開度

ウ要求があった場合，まず電流制御により駆動トル検出する技術を取り上げる．ノッキングが発生すクを最大にして偏差に即応させる．次にスロヅト

るとシリンダ内で，団8に示すようないくつかのルの速度に応じた回転抵抗による線形制御域に入共鳴振動モードによる圧力振動が現測される．こるので，最適レギュレ一夕（LQG二LinearQuadratic

れは回転でシリンダが下方へ移動する課程で沓穏G机長島ian）制御によってが変化して，共鳴振動モードが変わるためと考え安定した目標値の追従を行う．目樟値の近くまでられる．従来の方法では，エンジンの機種に応じ来ると静止摩擦に抗するためディザ制御で強制的て発生しやすい共鳴振動モードだけに的を絞り，に作動させ，定常偏差を低減する．またこの制御

バンドパスフィルタを用いて抽出していた．しかでは，ロバスト性．追従任さらに制御パラメータしこの方法では，固9上のように通常は検出できの調整が容易である2自由度LOG制御を用いた．

るが，同下のように換出できないときがある．こ囲5で2自由度LQG制御の構成と応答を示す．まうした現象は同じ運転条件でもランダムに生じる．

ず電流制御を含むスロヅトルポデイを2凍モデル

従って検出漏れを防今には，ノッキングによる圧で記述してこれをノミナルモデルする，最適制御

力振動のスペクトルが燃焼毎に変化することを前ゲインH，K．，K。をLq間患として解き，同時提にした検出方法にしなければならない．に温度や電圧の変化によるモデル誤差を見積もっマイクロコンピュータの進歩によりオンボード∫ てK】，E．，E。 を定助る．図5下左のH，忙‖での周波数分析も可能になってきた．図10にマ獣pで構成された最適レギュレータによる応答がルチスペクトル方式によるノッキング検出の手順

モデル誤差で悪化するのに対し，同右の2自由度を示す．燃焼毎に始動し，まずノックセンサ出力型にするとモデル誤差があっても良い応答が得らを約加〟sの高速で時間同期サンプリングする．

れる．

次にFFT（FastFouri巳rTransform）で5〜20kHz

これらの実験結果を匡沌に示す．図6下が通常の共鳴周波数におけるパワースペクトルを求める．のバッテリ電圧14Vで，同上が占．5Vまで低下しここで共鳴周波数はⅣゴ〜畠ケになる．この共鳴たときのデータである．バッテリ電圧により応答周波数毎に記憶したパヅタグランドレベル（BGL）

時間には遠いを生じるがいづれも良好な応答を示との比を求め，さらに紀和を計算してノッキングしており，また温度が常温ユ5ロcから125ロcへ強度を示す指牒Ⅲとする．と大きく変わっても応答への影響が少ないことが

このノック指標鼠1が所定値を超えたときにノヅ分かる．

タ尭生と判定する．ここでパックグランドレベル
はノック判定されな加った最新4データの平均値5．ノッキングの制御とする．またパワースペクトル比の総和を計算す

直噴エンジ．ンでは燃料によるシリンダ内の冷却る陪に，値の大きい成分2〜3ケを毎回選択する方勃発でノッキングは生じにくくはなる軌その分法がS／Nを向上させるのに効果的である．図1

だけ圧縮比を上げるて相殺されるので，やはり加1はノッキング制御による結果を比較したもので速時や高速運転でのノッキング制御が重要になる．

ある．図11右の従来方式は高回転での制御が難

図7でノッキングの発生条件をトルクと点火時期しいのに対して，同左のマルチスペクトル方式での関係で示す．圧縮比が高くなると点火時期のわは全域での制御が可能であり，また進角制御も1ずかな偏差がトルクの低下に繋がり易く，より高〜2鹿CAの改善が見られる．

精度なノッキング制御が必要になると言える．

6．空燃比限界の気筒剖検出

ここではノッキングをマルチスベクトル方式でq最近では燃費を改善のためにスロヅトルの絞り示す．2回転毎の区切って重ね書きしたもので，損失を低蘭できる希薄燃焼戯術が普及しつつある．

同上は安定した燃焼でのカウント値であり，同下ポート噴射エンジンで〟F＝2q，直噴エンジンでは空燃比限界でのデータである．図16ではT町

はA／F王40〜5Dにまで空燃比を大きくして運転からPi変動を推定する方法として，周波数分析法する．希薄過ぎると燃焼は不安定になるため空燃と積分法の2つの信号処理法を示す．回17にPi比限界を管理することが必要である，この空燃比変動の気筒別推定結果を示す．積分法に比較して限界は，燃料性状，大気湿度，燃料圧力，噴射時周波数分析法が良好な結果が得られている．

期，点火時期などにより変動するので運転中の管理が必要である．図12は燃料圧力を変えた時の7．おわりにマイクロコンピュータの処理性能が100倍′コロ燃焼の安定限界を示す．ここでは空燃比限界が27〜39の範囲で変動年の速度で進展してきており，きぬ細かでかつ大している．

規模なエンジン制御が実現可能ヒなった．ガソリ

空燃比限界はトルク変動により娩出する．センンエンジンのエミヅションを見ると，ここエロ牢でサとしては簡内圧力が良いがコストの点から回転ⅡC排出が1／100にも低減されているが，こうし変動を利用するのが一般的である．ここでは回転た背景にはマイクロコンヒュ一夕が少なからず頁

変動を剛＼て気筒毎の空燃比限界を検出する方法献してきた．これは制御ソフトウエアの量が1D〜杏紹介する・ただしこの方法は2000rpm以下の低ヱ0倍にも増大していることからも明らかである．

回鞋域を対象とする．図13は6気筒エンジンの一方，燃費（COヱ）低減を見ても墟やかではあクランク軸に取り付けた回転センサの出力信号をるが着実に進展してきている．ただし燃筆削こ関し周波数分析した結果を示す．通常，空燃比限界のてはエンジン本体や機構の改善あるいは軽量化な検出にはユ〜7IIzの振動が利用される．空燃比限

どに寄るところが大きい．しかし燃焼の希薄化を界で燃焼不安定となり，トルク変動によってクラ取り上げると，やはりマイクロコンピュータの果ンク軸がねじれ振動を生じる現象を捉える方法でたす役割が大きい．本文では最近の直噴エンジンある．この方法は簡便であるため普及しているが，の性能をより引き出すための要素技術として，電タイヤから伝わる振動に弱いことと原理的に気筒子制御スロットルのロバスト制御，マルチスペク別の換出は出来ない．空燃比限界を気筒別に検出

トル方式によるノッキング制御，さらに回転変動するにはもっと高周波数に剖ナる振動成分を利用による気筒別空燃比限界の検出につき報告した．

しなければならない．そこで燃焼行程（b気筒でこれからの燃費低減技術を考えると，燃焼の直あれば120D cA）を周期とする1次周波数成分な接制御あるいはモータ駆動弁や電磁駆動弁などのらびに2祝園波敷成分を用いることにする．図1

拡大によって制御項目がさらに増え古と考えられ

3では1川Hzとヱ00Hヱの成分が相当する．国1

る．また軽量化が進むと安定性を制御技術でカバ4で，最近のマイクロコンピュータを利用して回ーすることも必要である．アトパンスト制御の進転変動壱高分解能で計測する方法を示す．カム角展がますます重要になってくる．マイクロコンピ度信号（6ノリレス／2回転）で回転基準を定めてクュータはこうした要求を十分に受け入れる余地がランク角度信号（180パルス／回転）で作る計測あり今後のきらなる活用が期待される．

ウインドウ（4パルス／針⊃cA）をマイクロコンピュータのクロック信号でカウントするものである．こうして得られたカウント値丁軋iを図15で4

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