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JP2009144536A - エンジンのスライディングモード制御による空燃比制御方法、及びその方法を備えた燃料制御装置 - Google Patents

エンジンのスライディングモード制御による空燃比制御方法、及びその方法を備えた燃料制御装置 Download PDF

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JP2009144536A JP2007320316A JP2007320316A JP2009144536A JP 2009144536 A JP2009144536 A JP 2009144536A JP 2007320316 A JP2007320316 A JP 2007320316A JP 2007320316 A JP2007320316 A JP 2007320316A JP 2009144536 A JP2009144536 A JP 2009144536A
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Abstract

【課題】
噴射された燃料が燃焼し、前記酸素濃度を検出するまでの伝達系の応答時間に関する要素として、エンジン回転数による行程遅れ時間、LAFセンサ応答時間の排ガス流量依存、及びLAFセンサの経時劣化等による応答時間変化がある。スライディングモードの超平面を上記伝達系の応答時間に関する要素を考慮せず、固定とした場合、例えばエンジン高回転時に良好なフィードバックの応答性を実現できたとしても、低回転時にフィードバック系のオーバーシュート、発振を発生することがあり、この結果、エミッションの悪化,トルク変動によるドライバビリティの悪化、及びアイドル回転数の変動を発生する。
【解決手段】
スライディングモード制御で空燃比フィードバックを行う制御系において、用いる超平面を、制御系の安定性が保てる範囲内において、制御系の応答時間に寄与する要素に対応して可変とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、エンジンの燃料制御装置に関し、特にスライディングモード制御による空燃比制御方法に関する。
従来の技術はといえば、目標空燃比がリッチな領域では、目標とする空燃比に対する実空燃比のバラツキが大きくなるため、切換関数(本願では切換超平面)の傾きをリッチ時以外よりも小さく設定して、スライディングモード制御からのフィードバック係数の制限量を、理論空燃比時よりも制限を強めるとなっていた。
特開2007−247426号公報
本発明が解決しようとする問題点は、噴射された燃料が前記酸素濃度を検出するまでの伝達系の遅れ時間の変化により、前記伝達系への適切なフィードバックゲインを、スライディングモード制御にて実現することにある。
前記伝達系の安定性(目標に振動,発散なく収束する)が保てる超平面の領域を判定しておき、その領域内で、超平面を可変とする。前記伝達系の遅れ時間は、エンジン回転数による行程遅れ(排気ガス到達遅れ)、LAFセンサの応答の排ガス流量依存、及び経時劣化等によるLAFセンサ応答時間変化に影響されることとなる。またスライディングモード制御の目標変化時の立上がり速度,収束性は、前記安定性を保てる領域内で、超平面を構成する要素(本願中ではS1,S2と記載)の大小関係で決定することができる。このことから、前記伝達系の遅れ時間に影響する因子により前記超平面を構成する要素を決定することにより、最適な過渡応答が実現できる。
エンジンの各運転領域(エンジン回転数低回転−高回転,吸入空気量小−大)で最適な過渡応答を実現できることから、目標空燃比に対するオーバーシュートや到達遅れを抑制し、エミッションの悪化を防止することができる。また目標空燃比に対する実空燃比の発振気味となる現象を防げるため、トルク変動をドライバに感じさせることなく、走行が可能となる。また、空燃比収束バラツキによるアイドル回転数変動も抑制させることができる。
LAFセンサの応答遅れ時間に対応して、フィードバックの応答を変更するため、LAFセンサの経時劣化等による、エミッションの悪化を抑制できる。
エンジンの排気ガスの酸素濃度を検出する手段と、
エンジンの運転状態に応じて所望の目的とする空燃比を算出する手段と、
前記酸素濃度を検出する手段の出力により、前記目的とする空燃比となるようにスライディングモード制御により帰還制御を行う手段と、
噴射された燃料が前記酸素濃度を検出するまでの伝達系を考慮した手段と、
前記スライディングモード制御が安定する超平面の領域を予め記憶しておく手段と、
前記伝達系の状態に応じて、前記安定する超平面の領域で、超平面を可変とする手段とを
備えたことを特徴とするものである。
以下、本発明の主な実施例を図を用いて説明する。図1は、本発明の対象となる燃料の空燃比帰還制御方法を備えた燃料制御装置の制御ブロックの一例である。
ブロック101は、エンジン回転数計算手段のブロックである。エンジンの所定のクランク角度位置に設定されたクランク角度センサの電気的な信号、おもにパルス信号変化の単位時間当たりの入力数をカウントし、演算処理することで、エンジンの単位時間当りの回転数を計算する。ブロック102は、前述のブロック101で演算されたエンジンの回転数、及びエンジンの吸入する空気流量から、各領域におけるエンジンの要求する基本燃料を計算する。ブロック103は、前述のブロック101で演算されたエンジンの回転数、前述の基本燃料をエンジン負荷として、前述のブロック102で計算された基本燃料のエンジンの各運転領域における補正係数を計算する。ブロック104は、前述のエンジン回転数、及び前述の基本燃料量からのエンジン負荷によりエンジンの各領域における最適な点火時期をマップ検索等で決定するブロックである。ブロック105は、エンジンのアイドリング回転数を一定に保つためにアイドリング時の目標回転数を設定し、ISCバルブ制御手段への目標流量及びISC点火時期補正量を演算する。ブロック106は、前記のエンジン回転数と前記基本燃料量からのエンジン負荷により、エンジン運転領域による最適な目標空燃比を決定する。ブロック107はエンジンの排気管に設定された空燃比センサの出力と、後述する空燃比フィードバック係数の挙動から、空燃比センサの劣化等を含めた応答遅れを計算するブロックである。ブロック108は、前記空燃比センサの応答遅れ,エンジン回転数,吸入空気量,アイドル目標回転数,車速、及びアイドルSW等により、スライディングモード制御の超平面を求める。ブロック109は前記で決定された超平面,空燃比センサ出力、及び前記にて決定された目標空燃比から、スライディングモード制御を核として、所望の空燃比を実現するためのフィードバック係数を演算する。ブロック110は前記ブロック102で計算された基本燃料に対して、前記ブロック103の補正係数,エンジン水温による補正、及び前記ブロック109の空燃比フィードバック係数等の補正を施す。ブロック111は前記ブロック104で決定された基本点火時期に対して、前記ブロック105のISC点火時期補正量とエンジン水温による補正等を施す。ブロック112〜115は前記ブロック110で計算された燃料量に基づいてエンジンに燃料を供給する燃料噴射手段である。ブロック116〜119は、前述のブロック111で補正されたエンジンの要求点火時期に応じてシリンダに流入した燃料混合気を点火する点火手段である。ブロック120は、前述のブロック105で計算されたアイドリング時の目標流量となるようにISCバルブを駆動する手段である。尚、本実施例では吸入空気量から計算された基本燃料量をエンジン負荷として代表させているが、エンジンの吸気管負圧で代表させてもよい。
図2は、本発明の対象となる燃料の空燃比帰還制御方法を備えた燃料制御装置が制御するエンジン回りの一例を示している。
エンジン201は、吸入する空気量を計測する熱式空気流量計202,エンジンの吸入する空気流量を調整するスロットル絞り弁203,スロットル絞り弁をバイパスして、吸気管205へ接続された流路の流路面積を制御し、エンジンのアイドル時の回転数を制御するアイドルスピードコントロールバルブ204,エンジンの要求する燃料を供給する燃料噴射弁206,エンジンの所定のカム角度位置に設定されたカム角度センサ207,エンジンのシリンダ内に供給された燃料の混合気に点火する点火栓に、エンジン制御装置212の点火信号に基づいて点火エネルギを供給する点火モジュール208,エンジンのシリンダブロックに設定されエンジンの冷却水温を検出する水温センサ209,エンジンの排気管の触媒前に設置され、排気ガス中の酸素濃度に対してリニアな電気的信号を出力する空燃比センサ210,エンジンの運転,停止のメインスイッチであるイグニッションキイスイッチ211、及びエンジンの各補器類を制御するエンジン制御装置212から構成されている。エンジンのアイドリング回転数はアイドルスピードコントロールバルブ204で制御しているが、スロットル絞り弁203をモータ等で制御するものにした場合は、前記アイドルスピードコントロールバルブ204は不用となる。尚、本実施例ではエンジンの吸入空気量を検出して燃料制御を成立させているが、吸気管圧力を検出しても燃料制御は成立する。
図3は、本発明の対象となる燃料の空燃比帰還制御方法を備えた燃料制御装置が制御するエンジン回りの他の例を示している。
前述の図2と異なる点は、燃料噴射弁306が吸気弁前ではなく、エンジンのシリンダに向けて設置されており、シリンダ内に直接燃料を噴射する。このため、燃圧を上昇させる高圧燃料ポンプ307、及び燃圧センサ308が別途設定されている。
図4は、本発明の対象となる燃料の空燃比帰還制御方法を備えた燃料制御装置の内部構成の一例である。CPU401の内部にはエンジンに設置された各センサの電気的信号をデジタル演算処理用の信号に変換、及びデジタル演算用の制御信号を実際のアクチュエータの駆動信号に変換するI/O部402が設定されており、I/O部402には、水温センサ403,カム角センサ404,空燃比センサ405,吸入空気量センサ406,スロットル開度センサ407,車速センサ408,イグニッションSW409が入力されている。CPU401からの出力信号ドライバ410を介して、燃料噴射弁411〜414,点火コイル415〜418、及びISCバルブへのISC開度指令値419へ出力信号が送られる。
ここで本実施例の燃料の空燃比帰還制御方法を備えたエンジンの空燃比帰還制御係数(空燃比フィードバック係数)を求めるための基本式を示す。式1は、空燃比センサの伝達関数を示しており、燃料噴射量の燃空比と空燃比センサが検出する燃空比は、空燃比センサの伝達関数を介した、本式で表せる。尚、燃空比は正規化された形の値であり、燃料量を空気量で除した値に理論空燃比(約14.5)を乗じたものである(燃空比と称される)。
Figure 2009144536
式2は、空燃比センサの状態空間を表している。式2−(1)が状態方程式であり、式2−(2)が出力方程式である。前記式1より導き出される。またX1及びX2は内部状態変数を表している。
Figure 2009144536
式3は本実施例で用いられるスライディングモード制御の超平面,線形入力,非線形入力、及び切換超平面を表したのものである。式3−(1)は超平面の定義であり、S1,S2の2ヶの数値で定義されている。式3−(2)は線形入力、式3−(3)は非線形入力を表しており、前述の式2の状態空間及び後述する切換超平面から導き出される。式3−(4)は切換超平面であり、切換超平面を決定するための超平面と乗じられる評価値は、内部状態変数の現在値と、内部状態変数の収束値との差分である。
Figure 2009144536
式4は、本実施例で用いられるスライディングモード制御の最終出力(空燃比フィードバック係数)を表している。式4−(1)は、前述の線形入力と非線形入力を加算し、空燃比フィードバック係数を計算している。尚、式4−(2)は、本実施例のスライディングモード制御が安定するための、超平面のS1,S2の関係式を表している。式4−(2)が成立するS1とS2の関係領域では、空燃比フィードバック係数の発散,振動は発生しない。尚、この安定するための領域は、式2−(1)と切換関数から求められるが、詳細は割愛する。
Figure 2009144536
図5は、本実施例の燃料の空燃比帰還制御方法を備えたエンジンのスライディングモード制御による空燃比フィードバックの全体のブロックの一例である。加算器501には目標燃空比と実燃空比の差分に前回のスライディングモード制御からの空燃比フィードバック係数が加算され、ブロック502のLAFセンサ状態空間に入力される。LAFセンサ状態空間からは、LAFセンサの状態変数が出力される。ブロック503では、吸入空気量,エンジン回転数,LAFセンサ応答時定数,車速,アイドル目標回転数、及びアイドルSWにより超平面を決定する。ブロック504では、目標燃空比と実燃空比から非線形ゲインを決定する。ブロック505では、前記LAFセンサの状態変数と前記決定された超平面で、線形入力を計算する。ブロック506では、前記LAFセンサの状態変数と、前記超平面及び前記非線形ゲインから非線形入力を計算する。加算器507で前記線形入力と非線形入力を加算し、空燃比フィードバック係数として出力する。
図6は、本実施例の燃料の空燃比帰還制御方法を備えたエンジンのスライディングモード制御の非線形ゲイン決定のブロックの一例である。
加算器601及びブロック602で目標燃空比と実燃空比との差分の絶対値を計算する。ブロック603で前記差分の絶対値から非線形ゲインをテーブル検索する。
図7は本実施例の燃料の空燃比帰還制御方法を備えたエンジンのスライディングモード制御の超平面決定のブロックの一例である。ブロック701でエンジン回転数から超平面のS1をテーブル検索する。ブロック702でエンジン回転数から超平面のS2をテーブル検索する。ブロック703では、吸入空気量から吸入空気量補正をテーブル検索する。本補正は、LAFセンサ応答性の排ガスの流量依存補正となる。ブロック704では、LAFセンサ応答遅れ指標より、応答遅れ補正量をテーブル検索する。尚、LAFセンサの応答遅れ指標は、システム同定、入力された燃料量に対する応答等から求められるが、ここでは詳細は割愛する。乗算器705では、前記S1に対して、前記吸入空気量補正、及び前記応答後れ補正量を補正する。尚、本例ではS1に対して補正しているが、S2もしくはS1及びS2両方に補正してもよい。ブロック706は、超平面最終決定部であり、前記補正されたS1,前記S2,エンジン回転数,アイドル目標回転数,アイドルSW、及び車速等により、最終的な超平面を決定する。
図8は前述の図7の超平面最終決定部の詳細な制御ブロック構成の一例である。ブロック801及び802でS2/S1の絶対値を計算する。比較器803で前記絶対値が所定の値より小さいか否かを判断する。尚前記所定の値は、式4−(2)の安定限界1からブロック806でエンジン回転数からテーブル検索されたHysの値を加算器805により減算した値とする。比較器803で所定の値以上と判断された場合は、S2は乗算器807とスイッチ808で1−Hysの値とS1を乗じた値を出力することとなる。加算器809及びブロック810でエンジン回転数とアイドル目標回転数の差の絶対値を計算する。前記絶対値が所定の値811より小さいと比較器812で判断され、且つ車速が比較器814で所定の値813より小さいと判断され、且つアイドルSWがONの場合は、ブロック801〜808で決定されたS1,S2に優先してスイッチ817,819でアイドル時の値としてS1は所定値816、S2は818が選択される。
図9は本実施例のエンジンにおけるエンジン回転数と排ガスのLAFセンサへの到達時間(行程後れ時間)を示している。本時間は、図のような傾向を示しており、式901のように表される。
図10は、本実施例のエンジンに設置されているLAFセンサの時定数の排ガス流量依存の一例である。時定数は、図のような傾向を示しており、通常の領域では、1001に示すように、150ms〜200msが目安となるが、排気ガス流量が少ない領域では長くなっていく。
図11は、本実施例の燃料の空燃比帰還制御方法を備えたエンジンのスライディングモード制御の超平面のS1の設定傾向の一例である。エンジン回転数が小さいまたは、吸入空気量が少ない程、大きくなるように設定している。
図12は本実施例の燃料の空燃比帰還制御方法を備えたエンジンの目標空燃比変化時の実空燃比挙動の一例である。チャート1201は目標空燃比であり、時刻1202よりステップ変化させている。チャート1203は、エンジン回転数が高回転且つ吸入空気量が大の場合の目標空燃比に追従する実空燃比を表している。チャート1204は、前記チャート1203に対して、エンジン回転数が低回転且つ吸入空気量が小の場合で、前記チャート1203の超平面に補正を加えていない場合の実空燃比挙動を示している。図のように目標空燃比に対してオーバーシュートが大きくなり、振動気味になっている。チャート1205は前記チャート1204の超平面に対して本実施例の超平面の補正を施した場合の実空燃比変動を示している。前記チャート1204のオーバーシュートは無くなり、安定して目標空燃比を追従している。
図13は本実施例の空燃比帰還制御方法を備えた燃料制御装置の制御のフローチャートの一例である。ステップ1301でクランク角度センサの電気的な信号、おもにパルス信号変化の単位時間当たりの入力数をカウントし、演算処理によりエンジン回転数を計算する。ステップ1302で熱式空気流量計の出力電圧から電圧流量換算された空気流量を読み込む。ステップ1303で前記エンジン回転数と前記吸入空気量から基本燃料量を計算する。ステップ1304で前記エンジン回転数と前記基本燃料量で基本燃料補正係数をマップ検索する。ステップ1305でLAFセンサの出力電圧を電圧−空燃比変換した実空燃比を読み込む。ステップ1306で前記エンジン回転数と基本燃料(負荷)で目標空燃比をマップ検索する。ステップ1307でLAFセンサの劣化等の応答遅れを検出する。ステップ1308でスライディングモード制御の超平面を選択(計算)する。ステップ1309でスライディングモード制御により空燃比フィードバック係数を求める。ステップ1310で前記基本燃料補正係数及び空燃比フードバック係数の補正を基本燃料量に施す。ステップ1311で前記補正された基本燃料量を噴射量としてセットする。ステップ1312でアイドル時の目標回転数を設定する。ステップ1313で前記アイドル時の目標回転数を実現できる目標流量を計算する。ステップ1314でアイドル時の回転変動を抑制するための点火補正量を計算する。ステップ1315で前記目標流量をISC流量制御手段へ出力する。ステップ1316で前記エンジン回転数と前記基本燃料(負荷)から基本点火時期をマップ検索する。ステップ1317で前記基本点火時期に対して、前記ISCの点火時期補正及びエンジン水温等の補正を施し、ステップ1318で点火時期をセットする。
図14は前述の図5のブロック図の詳細なフローチャートの一例である。ステップ1401で目標燃空比,実燃空比、及び前回の空燃比フィードバック係数を読み込む。ステップ1402で前記目標燃空比と実燃空比との差分に前回の空燃比フィードバック係数を加算する。ステップ1403で前記加算値をLAFセンサ状態空間に入力し、LAFセンサ状態変数を計算する。ステップ1404で吸入空気量,エンジン回転数,LAFセンサ応答遅れ時定数,車速,アイドル目標回転数、及びアイドルSWから超平面を決定する。ステップ1405で目標燃空比と実燃空比の差の絶対値から非線形ゲインをテーブル検索する。ステップ1406で前記状態変数と超平面から線形入力を計算する。ステップ1407で状態変数,超平面及び非線形ゲインから非線形入力を計算する。ステップ1408で前記線形入力と非線形入力を加算し、空燃比フィードバック係数を計算する。
図15は前述の図6の、ブロック図の詳細なフローチャートの一例である。ステップ1501で目標燃空比と実燃空比を読み込む。ステップ1502で前記目標燃空比と前記実燃空比との差分を計算する。ステップ1503で前記差分の絶対値を計算する。ステップ1504で前記差分の絶対値から非線形ゲインをテーブル検索する。
図16は前述の図7の、ブロック図の詳細なフローチャートの一例である。ステップ1601でエンジン回転数,吸入空気量及びLAFセンサ応答遅れ指標を読み込む。ステップ1602で前記エンジン回転数より超平面のS1,S2をテーブル検索する。ステップ1603で前記吸入空気量から吸入空気量補正値をテーブル検索する。ステップ1604でLAFセンサ応答遅れ指標より応答遅れ補正をテーブル検索する。ステップ1605で前記S1に前記吸入空気量補正及び応答遅れ補正を施す。ステップ1606でアイドル目標回転数,アイドルSW及び車速を読み込む。ステップ1607で前記補正されたS1,S2、エンジン回転数,アイドル目標回転数,アイドルSW、及び車速により最終的な超平面のS1,S2を決定する。
図17は前述の図8の、ブロック図の詳細なフローチャートの一例である。ステップ1701でエンジン回転数,アイドル目標回転数,アイドルSW、及び車速を読み込む。ステップ1702で前記アイドル目標回転数と前記エンジン回転数の差分の絶対値を計算する。ステップ1703,1704、及び1705で前記差分の絶対値が所定値1未満か、車速が所定値2未満か、アイドルSWがONかを判断し、全てが真であれば、ステップ1712,1713でS1にS1IDLE、S2にS2IDLEを設定する。前記の条件にひとつでも偽があれば、ステップ1706〜1711に分岐する。ステップ1706でS2を補正後のS1で除した値の絶対値を計算する。ステップ1707で前記エンジン回転数からHysをテーブル検索する。ステップ1708で前記除した値の絶対値が1−Hysより小さいか否かを判断する。大きい場合(以上を含む)は、ステップ1709でS1が正か負かを判断し、負であれば、ステップ1711で−S1×(1−Hys)、正であれば、ステップ1710でS1×(1−Hys)をS2に入れ替える。
本発明の燃料制御装置の、制御ブロックの一例。 本発明の燃料制御装置が、制御するエンジン回りの一例。 本発明の燃料制御装置が、制御するエンジン回りの他の例。 本発明の燃料制御装置の、内部構成の一例。 本発明の燃料制御装置の、空燃比フィードバックの制御ブロックの一例。 本発明の燃料制御装置の、非線形ゲイン決定のブロックの一例。 本発明の燃料制御装置の、超平面決定のブロックの一例。 前述の図7の超平面の、最終決定ブロックの一例。 本発明のエンジンの、排ガスの到達時間の一例。 本発明のLAFセンサの、応答時間の排ガス流量依存の一例。 本発明の燃料制御装置の、超平面の設定の一例。 本発明の燃料制御装置を備えたエンジンの、目標空燃比と実空燃比の挙動の一例。 本発明の燃料制御装置の、全体の制御のフローチャートの一例。 前述の図5の、ブロック図の詳細なフローチャートの一例。 前述の図6の、ブロック図の詳細なフローチャートの一例。 前述の図7の、ブロック図の詳細なフローチャートの一例。 前述の図8の、ブロック図の詳細なフローチャートの一例。
符号の説明
102 基本燃料計算手段
106 目標空燃比算出手段
108 超平面決定手段
109 空燃比帰還制御係数計算手段
110 基本燃料補正手段
112〜115 燃料噴射手段
201 エンジン
202 熱式空気流量計
206,306 燃料噴射弁
207 カム角度センサ
208 点火モジュール
210 空燃比センサ(LAFセンサ)
212 燃料制御装置
502 LAFセンサ状態空間
503 超平面決定部
504 非線形ゲイン決定部
505 線形入力
506 非線形入力
1204 エンジン回転低回転,吸入空気量小,超平面切換無の空燃比
1205 エンジン回転低回転,吸入空気量小,超平面切換有りの空燃比

Claims (8)

  1. エンジンの排気ガスの酸素濃度を検出する手段と、
    エンジンの運転状態に応じて所望の目的とする空燃比を算出する手段と、
    前記酸素濃度を検出する手段の出力により、前記目的とする空燃比となるようにスライディングモード制御により帰還制御を行う手段と、
    噴射された燃料が燃焼し、前記酸素濃度を検出するまでの伝達系を考慮した手段と、
    前記伝達系の状態に応じて、超平面を可変とする手段とを
    備えたことを特徴とするエンジンの制御装置。
  2. 前記超平面を可変とする手段は、前記スライディングモード制御が安定する超平面の領域を予め記憶しておき、その領域内で可変とすることを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
  3. 前記伝達系の状態は、エンジンの回転速度による、排気ガスの酸素濃度を検出する手段までの到達遅れであることを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
  4. 前記伝達系の状態は、排気ガス流量によって変化する前記酸素濃度を検出する手段の応答遅れであることを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
  5. 前記伝達系の状態は、経時劣化等による前記酸素濃度を検出する手段の応答変化であることを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
  6. 前記スライディングモード制御が安定する超平面の領域は、理論上導かれる範囲に対して所定の余裕を持たせたことを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
  7. 前記超平面を可変とする手段は、前記安定するとされる範囲内から逸脱した設定をされた場合は、超平面を構成する1つ以上の要素を制限することを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
  8. 前記超平面の可変にする傾向は、前記伝達系の応答が速い領域に対して、応答の遅い領域の帰還制御の見掛け上のゲインが小さくなるように設定することを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
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