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エンジン制御概要

エンジン

2020.03.212021.02.15

目次

はじめに
方針
噴射制御全体のデータフロー
O2センサ
クランク角センサ
MAF(吸気流量センサ)
基本目標噴射量算出
スロットルポジションセンサ
インジェクタ
全モデル合体
まとめ

はじめに

自身でmatlab/simulink等を使ってECU設計/検証/シミュレーションの業務を行っていると言い張っているが、実際にECUがどのような目的でどのような制御を行っているかまで把握していることは少ない。
接続されているデバイスと故障診断機(スキャンツール)を起点にして知識掘り下げを行い、知見拡大を狙う。

方針

基本、エンジンの噴射制御を中心に説明する。
噴射制御を中心にした理由は以下。

外部診断機関連も良くやっている。
噴射制御は法規による排ガス規制、外部診断機要求と密接。
よって、噴射制御の「言葉」の方がなじみ深い

噴射制御全体のデータフロー

フューエルカット判定、基本燃料噴射量算出、噴射補正量の算出、噴射量算出、噴射時間

エンジン制御概要噴射制御全体のデータフロー

エンジンの噴射制御全体のデータフローを記載する。(故障診断機関連情報からの推測込み) 大まかには以下に分かれる。・フューエルカット判定・基本目標噴射量算出・噴射補正の算出・噴射量算出・噴射時間算出エンジンにおいての燃料噴射量を算出する基本構成を示す。

O2センサ

ジルコニアO_2センサ出力特性、リッチ、リーン、理想空燃比

エンジン制御概要 O2センサ

O2センサの特性や空燃比フィードバックの概要を記載する。理論空燃費(燃料1[g]に対して空気14.7[g])を中心にリッチ時に1[V]、リーン字に0[V]となる。 O2センサと比べ全領域空燃比センサの方がさらに理想空燃比を維持できるため、排ガス規制の強化についていけているという背景もある。

クランク角センサ

エンジン工程、吸気、圧縮、燃焼/膨張、廃棄

エンジン制御概要クランク角センサ

クランク角センサの役割はエンジン回転数の算出につきる。パルス波形の生成方法とそこからのエンジン回転数算出について記載する。 4ストローク1サイクルエンジンは、1サイクルを完結させるために吸気、圧縮、燃焼、排気の4行程を要する。 1サイクルはクランク2回転となる。

MAF(吸気流量センサ)

実吸気流量Ga[g]、エンジン回転数Ne[rpm]、旧流量Qa[g/sec]

エンジン制御概要 MAF(吸気流量センサ)

エンジンに吸気される空気量を測定する重要なセンサ。空気量そのものが計測出来れば良いが実はそう簡単な話では無い。一般名称はエアフロメータ。以下のタイプが存在する。(by Wikipedia) ・フラップ式（メジャリングプレート式）・熱線式（ホットワイヤー式・カルマン渦流式

基本目標噴射量算出

基本目標噴射量算出、Scilab、噴射量Qf[g]、エンジン回転数Ne[rpm]

エンジン制御概要基本目標噴射量算出

前回のMAF(吸気流量センサ)から求められた吸気流量を元に基本目標噴射量が算出できる。実空気流量G_a[g]/噴射量Q_f[g] = 14.7 になるように調整。 14.7は、理論空燃比。燃料が完全燃焼し、排ガスが最もクリーンになる空気/燃料の比率になる。

スロットルポジションセンサ

エンジン制御概要スロットルポジションセンサ

前回、吸気流量から基本目標噴射量算出が実施される話をした。吸気流量はスロットルによって制御されている。そのスロットルの開度を示しているのがスロットルポジションセンサとなる。スロットルボディと一体になっている。大概2系統以上あり、センサ異常を検知した際はもう片方のセンサ入力値で制御を行う。

インジェクタ

インジェクタ、Scilab、インジェクタ通電時間Tinj[ms]、エンジン回転数Ne[rpm]

エンジン制御概要インジェクタ

本命のインジェクタの話。空燃比や他の補正を元に算出された燃料噴射量がインジェクタより噴霧される。インジェクタには噴射量を指示するのではなく、通電時間で噴射量を決定させる。インジェクタの噴射特性はリニアではないため、ECU制御においてはマップ変換する。

全モデル合体

Scilab、全モデル合体、スロットル開度、実吸気量算出、噴射量算出、空燃比補正、エンジンプラント、吸気流量、エンジン回転数Ne。O2センサ

エンジン制御概要全モデル合体

前回まで出てきた各種簡易モデルを結合してみる。スロットル開度[%]を指令値として、前述の実吸気量算出、噴射量算出、空燃比補正のロジックをCloseループ化してみた。すべて吸気流用に依存。つまり、スロットル開度に依存している。

まとめ

今回、センサ/アクチュエータ特性をテーブル、マップではなく、近いと思われる式で同定した。
恐らくはエンジン開発の初期においては同等のことをしていると思われる。
ソフトウェアとして実装することを想定した段階から、CPUの時間リソースやチューニングの精度の都合でテーブル、マップになっているだけで、元となる変換式は存在するはず。
一度、そこに立ち戻って制御を見ることも重要と感じた。
また、SAE J1979の観点の情報も記載したが、規格で定められているものは業界レベルで共通であることがほぼ保障されているため、基本/標準的な視点、焦点を洗い出すには取っつき易いものとなる。
「外部診断機にそこにあるデータを返すだけ」という考えで無く、「なにのために」「どのようにして」まで踏み込むと新しいものが見える場合がある。

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