車の制御：開ループと閉ループ

車の制御：開ループと閉ループ

開ループ制御とは

開ループ制御とは、あらかじめ決められた手順に従って機械を動かす方法です。まるで料理のレシピのように、材料の量や加熱時間など、手順を最初に決めておけば、あとはその通りに実行するだけです。 車の仕組みで例えてみましょう。エンジンの燃料をどれくらい入れるか、火花を飛ばすタイミングをいつにするかなどを、あらかじめ決めておきます。そして、実際にエンジンを動かす時は、その決めた通りに燃料を入れたり、火花を飛ばしたりします。この時、エンジンの状態が良いか悪いか、つまり調子が良いか悪いかは気にしません。ただ、最初に決めた手順通りに動かすだけです。

例えば、坂道を登っている時を考えてみましょう。平坦な道を走る時と同じ量の燃料で、同じタイミングで火花を飛ばしていると、エンジンはうまく回らないかもしれません。坂道ではより多くの燃料が必要になるからです。しかし、開ループ制御では、このような状況の変化を考慮しません。あらかじめ決めた手順通りに燃料を供給し続けるため、坂道では力が足りずに失速してしまうかもしれません。このように、開ループ制御は周りの状況や機械の状態変化にうまく対応できないのが弱点です。

一方で、開ループ制御には良い点もあります。それは、仕組みが単純で理解しやすいということです。また、作るのも簡単で費用も安く抑えられます。例えば、おもちゃのラジコンカーなどでは、この開ループ制御が使われていることが多いです。複雑な仕組みは必要なく、簡単な制御で十分だからです。しかし、精密な制御が必要な場面、例えばロケットの打ち上げや自動運転技術などには、開ループ制御は向きません。このような場合は、周りの状況や機械の状態を常に監視し、それに合わせて制御方法を変える、より高度な制御方法が必要になります。

閉ループ制御の登場

以前の車の制御方式は、あらかじめ決めた手順で動かす方式で、開ループ制御と呼ばれていました。これは、アクセルペダルの踏み込み量に応じて燃料噴射量を調整するなど、単純な仕組みにより制御を行う方法です。しかし、この方法では、周囲の環境変化や車の状態変化に対応できず、常に最適な状態を保つことが難しいという課題がありました。例えば、坂道を登る時や、エンジンが冷えている時など、同じアクセルペダルの踏み込み量でも、必要な燃料噴射量は異なります。開ループ制御では、このような状況変化に対応できず、燃費が悪くなったり、出力不足に陥ったりすることがありました。

そこで登場したのが、閉ループ制御です。これは、車の状態を様々な装置で常に計測し、その結果に基づいて制御を行う方法です。フィードバック制御とも呼ばれます。具体的には、空気を吸い込む量やエンジンの回転数、排気ガスの状態などを計測する装置が取り付けられています。これらの装置で得られた情報を元に、コンピューターが最適な燃料噴射量や点火時期を計算し、エンジンを制御します。

閉ループ制御の利点は、周囲の環境や車の状態変化に柔軟に対応できることです。例えば、坂道を登る際には、エンジンにかかる負荷が増加するため、より多くの燃料が必要になります。閉ループ制御では、エンジンの回転数や吸入空気量の変化を感知し、燃料噴射量を自動的に増やすことで、スムーズな登坂を可能にします。また、エンジンが冷えている時には、燃料が気化しにくいため、より多くの燃料を噴射する必要があります。閉ループ制御では、冷却水の温度を計測し、エンジンが温まるまで燃料噴射量を増やすことで、安定したエンジン始動を実現します。

閉ループ制御の導入により、燃費の向上や排気ガスの浄化、運転性の向上など、様々な効果が得られました。しかし、開ループ制御に比べて、多くの装置と複雑な計算が必要となるため、設計や製造に費用がかかるという欠点もあります。それでも、車の性能向上に大きく貢献した技術と言えるでしょう。

三元触媒と制御方式

自動車の排気ガス浄化において、三元触媒は極めて重要な役割を担っています。この装置は、排気ガスに含まれる有害な一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物を、無害な二酸化炭素、水、窒素へと変換する働きをします。しかし、この浄化作用を最大限に発揮するためには、エンジンに送り込む空気と燃料の比率（空燃比）を理想的な状態に保つ精密な制御が必要となります。

かつては、エンジンの回転数やアクセルの踏み込み量といった情報に基づいてあらかじめ設定された燃料噴射量で制御する開ループ制御が主流でした。しかし、この方法では、運転状況の変化や経年劣化による個体差などに対応しきれず、常に理想的な空燃比を維持することは困難でした。そこで、三元触媒の登場とともに、排気ガス中の酸素濃度を計測し、その結果に基づいて燃料噴射量を調整する閉ループ制御が必要不可欠となりました。

閉ループ制御の中心となるのが酸素センサーです。このセンサーは、排気ガス中の酸素濃度を検知し、その情報をエンジン制御装置に伝えます。制御装置は、この情報に基づいて燃料噴射量を微調整することで、常に理想的な空燃比を維持します。酸素濃度が高い場合は燃料が不足している状態なので燃料を増やし、逆に酸素濃度が低い場合は燃料が過剰な状態なので燃料を減らす、という仕組みです。このフィードバック制御により、三元触媒は常に最適な状態で稼働し、排気ガスを効率的に浄化することが可能となります。

このように、三元触媒と精密な制御技術の組み合わせは、自動車の排ガス対策における大きな進歩であり、より環境に優しい自動車を実現するための重要な転換点となりました。 三元触媒と閉ループ制御は、車の環境性能向上に欠かせない技術と言えます。

制御方式の使い分け

機械や装置を思い通りに動かすには、制御方式の選択が重要です。大きく分けて、開ループ制御と閉ループ制御という二つの方法があり、それぞれに長所と短所があります。状況に応じて最適な方法を選ぶ必要があります。

開ループ制御は、あらかじめ設定した通りに動かす方法です。例えば、タイマーで決まった時間に水を出す散水機のようなものです。この方式は仕組みが単純で費用も安く抑えられます。しかし、外からの影響を受けやすく、設定通りに動かないこともあります。例えば、風の強い日に散水機を使うと、水が狙った場所に届かないかもしれません。このように、高い正確さが必要ない場合や、周りの環境変化が少ない場合に適しています。自動車では、始動モーターの制御など、単純な動作で十分な場合に開ループ制御が使われています。

一方、閉ループ制御は、結果を計測しながら、目標値に合うように調整を繰り返す方法です。温度調節機能付きの電気ポットをイメージすると分かりやすいでしょう。ポットはお湯の温度を測りながら、目標温度になるように加熱を調整します。このため、外からの影響があっても、正確に温度を保つことができます。開ループ制御に比べて複雑な仕組みで費用も高くなりますが、高い正確さと安定性が求められる場合に適しています。自動車では、エンジンの点火時期や燃料の噴射量の制御など、精密な制御が必要な場面で閉ループ制御が採用されています。

このように、開ループ制御と閉ループ制御は、それぞれ異なる特徴を持っています。制御対象の特性や求められる性能、費用などを考慮して、最適な制御方式を選ぶことが重要です。自動車の制御においても、様々な場面でこれらの制御方式が使い分けられています。

今後の展望

車は、私たちの生活に欠かせないものとなっています。その心臓部である機関の制御は、技術の進歩とともに、ますます複雑で高度なものへと変化を遂げています。環境への配慮や燃費の向上といった社会的な要求に応えるため、機関の制御はより精密で効率的なものへと進化していく必要があります。

近年、注目を集めているのが、人工知能を用いた制御技術です。人間のように考え判断する人工知能は、機関の制御にも革新をもたらすと期待されています。例えば、道路の状態や周りの車の流れといった情報を瞬時に捉え、機関の働きを調整することで、燃費をさらに良くしたり、安全性を高めたりすることができるようになります。

また、人の手を借りずに車が走る自動運転技術も、機関制御の進化を促す重要な要素です。自動運転を実現するためには、これまで以上に複雑で高度な制御が必要となります。そのため、あらかじめ設定された通りに動かす開ループ制御と、実際の状態に合わせて調整を行う閉ループ制御を組み合わせた、より高度な制御方式が求められています。これは、いわば人間の運転技術を機械で再現するようなもので、緻密な制御によって、安全で快適な自動運転を実現することが期待されます。

このように、車の機関制御は、常に時代の要請に応えながら進化を続けています。人工知能や自動運転技術といった革新的な技術を取り入れることで、将来の車は、より環境に優しく、より安全で、より快適なものへと進化していくでしょう。私たちは、その進化の過程を注意深く見守りながら、より良い車社会の実現に向けて、共に歩んでいく必要があります。